Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΞΑΝΘΟΠΟΥΛΟΥ ΙΟΡΔΑΝΗ Αριθμός Μητρώου: 6334 Θέμα «ΕΞΥΠΝΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ» Επιβλέπων ΧΟΥΣΟΣ ΕΥΘΥΜΙΟΣ Καθηγητής Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Οκτώβριος 2013

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «ΕΞΥΠΝΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΞΑΝΘΟΠΟΥΛΟΥ ΙΟΡΔΑΝΗ Αριθμός Μητρώου: 6334 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Χούσος Ευθύμιος Καθηγητής Χούσος Ευθύμιος Καθηγητής

3 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «ΕΞΥΠΝΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ» Φοιτητής: Επιβλέπων: Ξανθόπουλος Ιορδάνης Χούσος Ευθύμιος

4 Περίληψη Περίληψη Σκοπός της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας είναι η υλοποίηση εφαρμογής για την άντληση δεδομένων από συσκευές μέτρησης ηλεκτρικής ενέργειας και την αποθήκευσή τους σε εξυπηρετητή. Ο έλεγχος των συσκευών μέτρησης και η παρουσίαση των αποθηκευμένων δεδομένων επιτυγχάνεται μέσω κατάλληλα σχεδιασμένης ιστοσελίδας. Η δομή και το περιεχόμενο της παρούσας εργασίας αναλύονται ακολούθως. Στο πρώτο κεφάλαιο πραγματοποιείται μια εισαγωγή στα Έξυπνα Δίκτυα Ενέργειας, και παρουσιάζεται ένα εννοιολογικό μοντέλο. Στη συνέχεια αναλύονται τα οφέλη ενός τέτοιο Δικτύου και τέλος παρουσιάζονται συνοπτικά οι στόχοι και τα αποτελέσματα των ερευνητικών προγραμμάτων που είναι ενεργά στην Ευρώπη. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύεται ο όρος της νεφοϋπολογιστικής, Παρουσιάζονται αφενός μεν τα πλεονεκτήματα, αφετέρου δε οι προκλήσεις που δημιουργούνται με την χρήση της τεχνολογίας αυτής. Στη συνέχεια επιχειρείται μια ιστορική αναδρομή και τέλος παρουσιάζεται ο εξυπηρετητής που χρησιμοποιείται στην παρούσα εργασία. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται παρουσίαση της συσκευής μέτρησης που χρησιμοποιείται για τις ανάγκες της εργασίας. Επίσης παρουσιάζεται το πρωτόκολλο ZigBee, μέσω του οποίου γίνεται επικοινωνία της συγκεκριμένης συσκευής με τον υπολογιστή. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται το Διαδίκτυο των Αντικειμένων. Η λογική συνέχεια αυτής της έννοιας είναι τα Μεγάλου Όγκου Δεδομένα, τα οποία αναλύονται. Στη συνέχεια παρουσιάζονται κάποια παραδείγματα του Διαδικτύου των Αντικειμένων και εξηγείται ο ρόλος του στο Έξυπνο Δίκτυο Ενέργειας. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η υλοποίηση. Αποτελείται από τον σχεδιασμό δύο προγραμμάτων. Το ένα εκτελείται στον υπολογιστή που επικοινωνεί μέσω ZigBee με την συσκευή μέτρησης και το άλλο στον εξυπηρετητή. Επίσης παρουσιάζεται ο σχεδιασμός της ιστοσελίδας που δίνει την δυνατότητα ελέγχου των συσκευών μέτρησης, καθώς και παρουσίασης των έως τώρα μετρήσεων. 1

5 Abstract Abstract The purpose of this diploma thesis is the implementation of an application in order to derive data from an electricity measuring device and store them in a cloud server. A website is designed in order to control the devices and present the data. The structure and the contexts of the present diploma thesis are presented in the following. Chapter one analyzes the Smart Energy Grid and presents a conceptual model. The benefits of the Smart Energy Grid are discussed and a summary of the objectives and results of active European research programms is given. In the second chapter an introdution to Cloud Computing is presented taking into account its advantages and drawbacks. The Cloud Server used in this diploma thesis is presented. The measuring device and ZigBee protocol is discussed in chapter three. Chapter four describes the Internet of Things and Big Data. Examples of Internet of Things are presented. The role of Internet of Things in the Smart Energy Grid is described. In chapter five an analysis of the implementation of the application is given. It consists of two programs. The first one is executed on the computer which is connected to the measuring device through ZigBee. The second one is executed on the Cloud Server. There is also an analysis of the website designed in this diploma thesis. 2

6 Πίνακας Περιεχομένων Περίληψη...1 Abstract...2 Πρόλογος Έξυπνα Δίκτυα Ενέργειας (Smart Energy Grids) Εισαγωγή στα Έξυπνα Δίκτυα Ενέργειας Τι προσφέρουν τα Έξυπνα Δίκτυα Ενέργειας...6 Αξιοπιστία...7 Ευελιξία...7 Αποδοτικότητα...7 Βιωσιμότητα...8 Οικονομία...8 Άνεση Έξυπνα Δίκτυα Ενέργειας: Ένα Εννοιολογικό Μοντέλο Ανάπτυξη των Έξυπνων Δικτύων Ενέργειας στην Ευρώπη Η συγκεκριμένη εργασία στα Έξυπνα Δίκτυα Ενέργειας Νεφοϋπολογιστική (Cloud Computing) Εισαγωγή στην Νεφοϋπολογιστική Τα Βασικά Χαρακτηριστικά Τα Μοντέλα Ανάπτυξης Τα Μοντέλα Παροχής Υπηρεσιών Πλεονεκτήματα της Νεφοϋπολογιστικής...27 Φορητότητα (Portability)...27 Επεκτασιμότητα (Scalability)...27 Οικονομία...28 Ευελιξία στο Λογισμικό Μειονεκτήματα - Προκλήσεις της Νεφοϋπολογιστικής...28 Αξιοπιστία (Dependability)...28 Ασφάλεια (Security) Ιστορική αναδρομή και ανάπτυξη της νεφοϋπολογιστικής Χρήση της νεφοϋπολογιστικής στην συγκεκριμένη εργασία Η συσκευή μέτρησης Η συσκευή μέτρησης Το πρωτόκολλο ZigBee Διαδίκτυο των Αντικειμένων και Μεγάλου Όγκου Δεδομένα (Internet Of Things & Big Data) Διαδίκτυο των Αντικειμένων (Internet Of Things) Μεγάλου Όγκου Δεδομένα (Big Data) Παραδείγματα Διαδικτύου των Αντικειμένων Παράδειγμα Στις Μεταφορές Παράδειγμα στην εκπαίδευση Εφαρμογές στο Έξυπνο Δίκτυο Ενέργειας Υλοποίηση Τοπικός Υπολογιστής Εξυπηρετητής (Server) Πρόγραμμα το οποίο εκτελείται στον εξυπηρετητή (Server) Η Ιστοσελίδα του Εξυπηρετητή Βιβλιογραφία...69

7 Πρόλογος Πρόλογος Η παρούσα Διπλωματική Εργασία πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Συστημάτων Υπολογιστών του τομέα Ηλεκτρονικής και Υπολογιστών του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Πάτρας. Πραγματοποιήθηκε υπό την επίβλεψη του καθηγητή Χούσου Ευθύμιου. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να εκφράσω τις πιο θερμές μου ευχαριστίες για την ανάθεση του θέματος και την συνεχή παρακολούθηση και συμβολή του καθ' όλη την διάρκεια της υλοποίησής του. Επίσης ευχαριστώ πολύ τον κ. Κουτρουμπίνα Στυλιανό, διευθύνων σύμβουλο της εταιρίας BLUEDev Ε.Π.Ε., καθώς κατά την διάρκεια της πρακτικής μου άσκησης με βοήθησε σε θέματα σχετικά με την Εργασία αυτή και σχετικά με την λειτουργία μιας εταιρίας. Τέλος ένα μεγάλο ευχαριστώ οφείλω στην οικογένεια μου και στους φίλους μου, χωρίς την αμέριστη συμπαράσταση των οποίων η εργασία αυτή δεν θα είχε ολοκληρωθεί. 4

8 1. Έξυπνα Δίκτυα Ενέργειας (Smart Energy Grids) 5

9 1. Έξυπνα Δίκτυα Ενέργειας (Smart Energy Grids) 1.1 Εισαγωγή στα Έξυπνα Δίκτυα Ενέργειας Η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας αλλάζει με την πάροδο του χρόνου. Τα τελευταία χρόνια όλο περισσότερες ηλεκτρικές συσκευές μπαίνουν στην καθημερινότητα του πολίτη, συσκευές χαμηλής ή υψηλής κατανάλωσης. Είναι αναμενόμενο λοιπόν οι ανάγκες του κάθε χρήστη για ηλεκτρική ενέργεια να αυξάνονται συνεχώς. Το γεγονός αυτό έφερε τους φορείς παροχής ηλεκτρικής ενέργειας αντιμέτωπους με ένα σημαντικό πρόβλημα. Η αυξανόμενη ζήτηση απαιτεί μεγαλύτερη παραγωγή. Η αύξηση της παραγωγής όμως έχει ένα όριο, το οποίο δημιουργείται από οικονομικούς και περιβαλλοντικούς παράγοντες. Σε κάποιες περιοχές η παροχή ηλεκτρικής ενέργειας δεν είναι είναι η απαιτούμενη, ειδικά της ώρες αιχμής. Αποτέλεσμα τούτου σε ορισμένες περιπτώσεις είναι η κακή ποιότητα παροχής, δηλαδή η διακοπή παροχής ηλεκτρικής ενέργειας, από μερική έως και ολική. Λύσεις σε αυτό το πρόβλημα φέρνει η τεχνολογία των Έξυπνων Δικτύων Ενέργειας. Ένα Έξυπνο Δίκτυο Ενέργειας είναι ένα ηλεκτρικό δίκτυο το οποίο με την χρήση ICT (Information and Communications Technology) συλλέγει πληροφορίες σχετικά με τις καταναλώσεις και λαμβάνει αποφάσεις [1]. Ένας άλλος ορισμός που μπορεί να δοθεί είναι ότι το Έξυπνο Δίκτυο Ενέργειας είναι ένα μοντέρνο δίκτυο που χρησιμοποιεί αμφίδρομες ροές ενέργειας και επικοινωνίας και παρέχει δυνατότητες ελέγχου οι οποίες θα οδηγήσουν σε ένα σύνολο νέων δυνατοτήτων και εφαρμογών [2]. 1.2 Τι προσφέρουν τα Έξυπνα Δίκτυα Ενέργειας Οι αποφάσεις από ένα Έξυπνο Δίκτυο Ενέργειας λαμβάνονται με βάση τους παρακάτω άξονες. Αξιοπιστία στην παροχή Ευελιξία στον τρόπο παροχής Αποδοτικότητα Βιωσιμότητα του δικτύου Οικονομία και από την μεριά του Παρόχου και από την μεριά του Καταναλωτή Άνεση του Καταναλωτή 6

10 1. Έξυπνα Δίκτυα Ενέργειας (Smart Energy Grids) Αξιοπιστία Ένα Έξυπνο Δίκτυο Ενέργειας θα κάνει χρήση τεχνολογιών οι οποίες βελτιώνουν την ικανότητα του δικτύου να καταλάβει ένα σφάλμα (Fault-Detection) και στη συνέχεια να το διορθώσει χωρίς την παρεμβολή ανθρώπινου δυναμικού (Self-Heal). Για να επιτευχθεί αυτό απαιτείται το Δίκτυο να μην είναι συνδεδεμένο αποκλειστικά σε τοπολογία αστέρα, όπως κατά βάση είναι σήμερα. Πρέπει να υπάρχουν διαφορετικές διαδρομές παροχής ώστε αν δημιουργηθεί ένα σφάλμα σε κάποια, το δίκτυο να το αναγνωρίσει και να την αποκλείσει έως ότου αποκατασταθεί. Αντίστοιχα το Δίκτυο θα πρέπει να έχει την δυνατότητα να μειώσει τον φόρτο μιας γραμμής ώστε να εξυπηρετηθούν ικανοποιητικά όλοι οι πελάτες. Ευελιξία Με την ανάπτυξη των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας κρίνεται απαραίτητο για ένα σύγχρονο δίκτυο να υποστηρίζει αμφίδρομη μεταφορά ενέργειας. Εάν ο καταναλωτής παράγει ηλεκτρική ενέργεια (π.χ. με χρήση φωτοβολταϊκών) θα πρέπει να μπορεί να παρέχει στο δίκτυο την ενέργεια που δεν καταναλώνει. Επίσης θα πρέπει να μπορεί να γνωρίζει κάθε στιγμή εάν καταναλώνει ενέργεια που ο ίδιος παράγει, ή ενέργεια που αντλεί από το δίκτυο. Αυτή η δυνατότητα αποτελεί βασικό κομμάτι ενός Έξυπνου Δικτύου. Αποδοτικότητα Η αποδοτικότητα είναι ένας από του κυρίαρχους ρόλους της ανάπτυξης των Έξυπνων Δικτύων Ενέργειας. Σε ένα τέτοιο δίκτυο ο φορέας παροχής ηλεκτρικής ενέργειας, με την άδεια του καταναλωτή, θα μπορεί να έχει κάποιον έλεγχο στην ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας. Ο συνολικός φόρτος ενός δικτύου μεταβάλλεται σημαντικά στην διάρκεια της ημέρας. Για παράδειγμα σε μια εταιρία, το πρωί, ανοίγουν την ίδια ώρα όλα τα κλιματιστικά. Αυτή η ξαφνική αιχμή στην ζήτηση μπορεί να προκαλέσει πρόβλημα στο δίκτυο στην περίπτωση που δεν είναι έτοιμο να αντεπεξέλθει. Το Έξυπνο Δίκτυο θα μπορεί να κλείσει για κάποιο χρονικό διάστημα μια ηλεκτρική συσκευή. Αυτή η κίνηση θα έχει πολύ σημαντικά οφέλη, ιδιαίτερα σε ώρες αιχμής, όπως παραδείγματος χάριν η περίπτωση που αναφέρθηκε παραπάνω. Με έναν τέτοιο έλεγχο η ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας θα είναι ελεγχόμενη έως ένα βαθμό οπότε μειώνεται αρκετά η πιθανότητα να γίνει μεγαλύτερη από την δυνατότητα παροχής του δικτύου. Άλλο παράδειγμα τέτοιας κατάστασης είναι οι ώρες υπερβολικής ζέστης όπου αρκετές ηλεκτρικές συσκευές μεγάλης κατανάλωσης λειτουργούν ταυτόχρονα. Σε αυτή την περίπτωση το δίκτυο θα μπορεί να ζητήσει ολιγόλεπτη διακοπή της συσκευής, ή μείωση της κατανάλωσής της. Παραδείγματα τέτοιων συσκευών είναι ένα κλιματιστικό ή ένα ψυγείο που έχει την δυνατότητα να λειτουργεί σε διάφορες κλίμακες. 7

11 1. Έξυπνα Δίκτυα Ενέργειας (Smart Energy Grids) Βιωσιμότητα Η μεγαλύτερη ευελιξία που προσφέρει το Έξυπνο Δίκτυο επιτρέπει και προωθεί την μεγαλύτερη χρήση Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας. Η παροχή όμως τέτοιων πηγών συνήθως μεταβάλλεται στην διάρκεια της ημέρας καθώς επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες, με κυρίαρχο τον περιβαλλοντικό. Η ταχέως μεταβαλλόμενη αυτή παροχή στο δίκτυο μπορεί να προκαλέσει προβλήματα λόγω της υποδομής του. Σε ένα Έξυπνο Δίκτυο όμως υπάρχουν οι απαραίτητες τεχνολογίες και προϋποθέσεις για την σωστή διαχείριση της ενέργειας αυτής. Οικονομία Η οικονομία είναι ένας ακόμα από τους σημαντικούς λόγους της ανάπτυξης των Έξυπνων Δικτύων Ενέργειας. Σε ένα τέτοιο δίκτυο είναι εφικτή, και απαραίτητη, η συνεχής επικοινωνία μεταξύ φορέα παροχής ηλεκτρικής ενέργειας και καταναλωτή. Η επικοινωνία αυτή δημιουργεί τις απαραίτητες προϋποθέσεις για οικονομία και από τις δύο πλευρές. Ο καταναλωτής θα γνωρίζει ανά πάσα στιγμή το μέγεθος της κατανάλωσής του καθώς και τις συγκεκριμένες μερικές καταναλώσεις κάθε συσκευής. Μπορεί έτσι να πράξει κάθε στιγμή προς όφελός του, ανοίγοντας, κλείνοντας ή ρυθμίζοντας διαφορετικά κάποια συσκευή. Επίσης όπως αναφέρθηκε και παραπάνω ο πάροχος θα έχει δυνατότητα κάποιου ελέγχου στην ζήτηση, οπότε θα μπορεί να αποφύγει προβλήματα που δημιουργούνται σε ώρες αιχμής. Σε μια τέτοια περίπτωση θα μπορεί να προσφέρει και στον καταναλωτή κάποιο οικονομικό όφελος ώστε αυτός να επιτρέπει την διαχείριση κάποιων συσκευών από το δίκτυο. Άνεση Ο καταναλωτής θα μπορεί όπως αναφέρθηκε παραπάνω να γνωρίζει ανά πάσα στιγμή πόση ενέργεια καταναλώνει κάθε συσκευή. Επίσης θα του δίνεται η δυνατότητα να ελέγχει αυτές τις συσκευές μέσω του διαδικτύου. Το Διαδίκτυο των Αντικειμένων (Internet Of Things) βρίσκεται σε συνεχή ανάπτυξη, γεγονός που σημαίνει ότι σε λίγο καιρό, όλες οι συσκευές του σπιτιού, από το ψυγείο έως το κλιματιστικό και από την τηλεόραση έως την κουζίνα θα είναι συνδεδεμένες στο διαδίκτυο. Οπότε ο καταναλωτής θα μπορεί μέσω του κινητού του τηλεφώνου ανά πάσα στιγμή να κλείσει την τηλεόραση, να ανοίξει το κλιματιστικό και να μπορεί να διαχειριστεί οποιαδήποτε συσκευή. 8

12 1. Έξυπνα Δίκτυα Ενέργειας (Smart Energy Grids) 1.3 Έξυπνα Δίκτυα Ενέργειας: Ένα Εννοιολογικό Μοντέλο Το εννοιολογικό μοντέλο που προτείνει το National Institute of Standards and Technology (NIST Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας) της Αμερικής παρέχει ένα πλαίσιο για το Έξυπνο Δίκτυο που αποτελείται από επτά τομείς [3]. Αυτοί είναι οι εξής: Μαζική παραγωγή, Δίκτυο Μεταφοράς, Δίκτυο Διανομής, Πελάτες, Κέντρο ενεργειών, Αγορά και Παροχή υπηρεσιών. Όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα (εικ. 1.1) το μοντέλο παρουσιάζει όλες τις επικοινωνίες και την ροή ηλεκτρικής ενέργειας μεταξύ των τομέων καθώς και τον τρόπο με το οποίο συσχετίζονται. Οι συνδέσεις που απεικονίζονται με διακεκομμένη γραμμή αναπαριστούν ροή ηλεκτρικής ενέργειας, ενώ αυτές που απεικονίζονται με συνεχόμενη γραμμή αναπαριστούν ροή δεδομένων. Κάθε επιμέρους τομέας αποτελείται από σημαντικά στοιχεία των έξυπνων δικτύων τα οποία συνδέονται μεταξύ τους με τρόπο που εξασφαλίζεται αμφίδρομη επικοινωνία και ροή ενέργειας. εικ. 1.1 Οι επικοινωνίες στο Έξυπνο Δίκτυο Ενέργειας 9

13 1. Έξυπνα Δίκτυα Ενέργειας (Smart Energy Grids) Τομέας Μαζικής Παραγωγής Σε αυτόν τον τομέα, ο οποίος παρουσιάζεται στην εικόνα (εικ. 1.2), πραγματοποιείται η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες ποσότητες. Η παραγωγή αυτή γίνεται από μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, όπως η πυρηνική ενέργεια, ο άνθρακας και το φυσικό αέριο καθώς και από ανανεώσιμες. Οι ανανεώσιμες πηγές μπορούν να χαρακτηριστούν είτε μεταβλητές, όπως η αιολική και η ηλιακή, είτε σταθερές, όπως η υδροηλεκτρική, η βιομάζα, η γεωθερμική και η αποθηκευτική αντλία. εικ. 1.2 Τομέας Μαζικής Παραγωγής 10

14 1. Έξυπνα Δίκτυα Ενέργειας (Smart Energy Grids) Τομέας Δικτύου Διανομής Σε αυτόν τον τομέα, όπως φαίνεται στην εικόνα (εικ. 1.3), η ηλεκτρική ενέργεια διανέμεται από και προς τους πελάτες μέσω του έξυπνου δικτύου. Το δίκτυο διανομής συνδέει μεταξύ τους όλες τις έξυπνες συσκευές (όπως οι έξυπνοι μετρητές), και τις διαχειρίζεται μέσω ενός αμφίδρομου δικτύου επικοινωνίας. Στο δίκτυο αυτό μπορούν να συνδέονται επίσης εγκαταστάσεις αποθήκευσης ενέργειας, ή και απομακρυσμένες πηγές ενέργειας. εικ. 1.3 Τομέας Δικτύου Διανομής 11

15 1. Έξυπνα Δίκτυα Ενέργειας (Smart Energy Grids) Τομέας Πελατών Στον τομέα αυτό γίνεται η σύνδεση μεταξύ των τελικών καταναλωτών της ηλεκτρικής ενέργειας με το υπόλοιπο δίκτυο. Η σύνδεση αυτή επιτυγχάνεται μέσω των έξυπνων μετρητών. Ως πελάτες καταναλωτές θεωρούνται όλοι, είτε είναι οικιακοί είτε εμπορικοί είτε βιομηχανικοί. Οι έξυπνοι μετρητές ελέγχουν και διαχειρίζονται την ροή της ηλεκτρικής ενέργειας από και προς τους καταναλωτές και παρέχουν πληροφορίες χρήσης. Στον τομέα αυτόν μπορεί επίσης να πραγματοποιηθεί παραγωγή, αποθήκευση και διαχείριση ενέργειας. Τα παραπάνω παρουσιάζονται στην εικόνα (εικ. 1.4). εικ. 1.4 Τομέας Πελατών 12

16 1. Έξυπνα Δίκτυα Ενέργειας (Smart Energy Grids) Τομέας Κέντρου Ενεργειών Ο τομέας αυτός διαχειρίζεται και ελέγχει την ροή ηλεκτρικής ενέργειας σε όλους τους άλλους τομείς του έξυπνου δικτύου. Όπως παρουσιάζεται στην εικόνα (εικ. 1.5), με τη χρήση ενός αμφίδρομου δικτύου επικοινωνίας, συνδέεται σε υποσταθμούς, σε εγκαταστάσεις πελατών καθώς και σε άλλες έξυπνες συσκευές. Παρέχει παρακολούθηση (monitoring), αναφορές κατάστασης (reporting), έλεγχο (controlling) και εποπτεία (supervision) καθώς επίσης σημαντικές πληροφορίας για την διαδικασία και αποφάσεις. Διεργασίες που χρησιμοποιούν τεχνικές ανάλυσης μεγάλου όγκου δεδομένων (Big Data Analysis) συμβάλλουν σημαντικά στην λήψη αποφάσεων. εικ. 1.5 Τομέας Κέντρου Ενεργειών 13

17 1. Έξυπνα Δίκτυα Ενέργειας (Smart Energy Grids) Τομέας Αγοράς Ο τομέας αυτός είναι υπεύθυνος για την λειτουργία του έξυπνου δικτύου και συντονίζει όλους τους συμμετέχοντες σε αυτό. Παρέχει διαχείριση της αγοράς, χονδρικό και λιανικό εμπόριο, καθώς επίσης και εμπορία υπηρεσιών ενέργειας. Ο τομέας αυτός, που παρουσιάζεται στην εικόνα (εικ. 1.6) επικοινωνεί με όλους τους άλλους τομείς, έτσι ώστε να εξασφαλίζει ότι λειτουργούν σε ένα ανταγωνιστικό περιβάλλον. Χειρίζεται επίσης πράξεις συμψηφισμού πληροφοριών και παρέχει πληροφορίες στους φορείς παροχής υπηρεσιών. εικ. 1.6 Τομέας Αγοράς 14

18 1. Έξυπνα Δίκτυα Ενέργειας (Smart Energy Grids) Τομέας Παροχής Υπηρεσιών Ο τομέας αυτός χειρίζεται όλες τις εξωτερικές του δικτύου λειτουργίες των τομέων. Τέτοιο παράδειγμα είναι μια δικτυακή πύλη (ιστοσελίδα) που παρέχει υπηρεσίες διαχείρισης ενέργειας στους τελικούς πελάτες, ανταλλαγή δεδομένων σχετικών με την κατανάλωση ενέργειας μεταξύ πελατών και παρόχων. Μπορεί επίσης να χειριστεί και άλλες διαδικασίες όπως τα προγράμματα ανταπόκρισης στη ζήτηση (demand response) και την διαχείριση διακοπών (outage management). Παρουσιάζεται στην εικόνα (εικ. 1.7). εικ. 1.7 Τομέας Παροχής Υπηρεσιών 15

19 1. Έξυπνα Δίκτυα Ενέργειας (Smart Energy Grids) 1.4 Ανάπτυξη των Έξυπνων Δικτύων Ενέργειας στην Ευρώπη Τα συνεχώς αναπτυσσόμενα έξυπνα δίκτυα ενέργειας αυξάνουν τις δυνατότητες του μέχρι τώρα υπάρχοντος δικτύου ενέργειας και δίνουν στον καταναλωτή σημαντικά πλεονεκτήματα. Με τη σωστή εφαρμογή τους, δίνεται η δυνατότητα να προστεθούν στο δίκτυο περισσότερες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, ηλεκτρικά οχήματα καθώς και διασκορπισμένες γεννήτριες ηλεκτρικής ενέργειας. Επίσης ο καταναλωτής έχει καλύτερο έλεγχο στην ενέργεια που καταναλώνει και μπορεί πλέον να συμμετέχει ενεργά στην μεγάλη αυτή αγορά. Είναι λογικό λοιπόν το γεγονός ότι επενδύονται στην έρευνα αυτής της τεχνολογίας όλο και περισσότερα χρήματα. Τα ερευνητικά προγράμματα που είναι σε εξέλιξη θα δείξουν τον τρόπο με τον οποίο θα γίνει αυτή η γεμάτη προκλήσεις μετάβαση από το παραδοσιακό στον σύγχρονο ευφυές δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Στην Ευρώπη κυρίαρχο ρόλο στον συντονισμό αυτής της προσπάθειας παίζει το Joint Research Centre και ο συγκεκριμένα ο τομέας με την ονομασία Ινστιτούτο Ενέργειας και Μεταφορών (Institute for Energy and Transport IET) [4] του οποίου ο ρόλος είναι να συλλέγει πληροφορίες από τα εν εξελίξει προγράμματα και να αξιολογεί τα αποτελέσματα. Τα στοιχεία που παρουσιάζονται παρακάτω προέρχονται από έρευνα του συγκεκριμένου κέντρου [5]. Μέσα στο 2012 τα προγράμματα που ήταν σε εξέλιξη ήταν 281 και οι συνολικές επενδύσεις ανέρχονταν σε 1.8 δισεκατομμύρια ευρώ. Κυρίαρχες χώρες σε αυτήν την προσπάθεια είναι το Ηνωμένο Βασίλειο, η Γερμανία, η Γαλλία και η Ιταλία. Η Δανία είναι η χώρα με με τις μεγαλύτερες επενδύσεις ανά κάτοικο και ανά κιλοβατώρα που καταναλώνεται. Το μεγαλύτερο μέρος των προγραμμάτων αυτών (95%) υποστηρίζεται από κονδύλια της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Υπάρχουν 60 προγράμματα τα οποία πραγματοποιούνται με την συνεργασία πάνω της μιας χωρών, ενώ 12 από αυτά εστιάζουν στην συμμετοχή των καταναλωτών. Αυτά φαίνονται στην παρακάτω εικόνα (εικ. 1.8α), ενώ στην αμέσως επόμενη (εικ. 1.8β) παρουσιάζονται μόνο τα προγράμματα συνεργασίας στα οποία συμμετέχει η Γερμανία, κυρίαρχη χώρα στις συνεργασίες αυτές. 16

20 1. Έξυπνα Δίκτυα Ενέργειας (Smart Energy Grids) εικ. 1.8α και 1.8β προγράμματα συνεργασίας στην Ευρώπη και στην Γερμανία Τα Πανεπιστήμια και οι Ερευνητικοί Οργανισμοί έχουν ενεργή συμμετοχή στην προσπάθεια αυτή. Έχουν αναλάβει πάνω από 90 προγράμματα για τα οποία οι συνολικές επενδύσεις είναι της τάξεως των 430 εκατομμυρίων ευρώ. Μια χρήσιμη ανάλυση είναι η κατανομή των ερευνητικών προγραμμάτων ανάλογα με ποιον από τους τομείς του έξυπνου δικτύου ενέργειας ασχολούνται. Στην εικόνα (εικ. 1.9) φαίνεται πόσα προγράμματα υπάρχουν αυτή την στιγμή σε κάθε τομέα έρευνας, καθώς επίσης και τι ποσά έχουν επενδυθεί σε κάθε τομέα. Οι βασικοί τομείς έρευνας είναι έξι, και αναλύονται παρακάτω. εικ. 1.9 αριθμός προγραμμάτων και ποσό επένδυσης ανάλογα με τον τομέα 17

21 1. Έξυπνα Δίκτυα Ενέργειας (Smart Energy Grids) Διαχείριση Έξυπνου Δικτύου Ενέργειας Σε αυτή την κατηγορία εμπεριέχονται τα προγράμματα τα οποία εστιάζουν στην ενίσχυση της ευελιξίας της λειτουργίας του δικτύου. Τέτοια παραδείγματα είναι η παρακολούθηση και ο έλεγχος του δικτύου. Αναλυτικότερα στον τομέα της παρακολούθησης του δικτύου κάποια από τα θέματα στα οποία εστιάζουν τα προγράμματα είναι η εγκατάσταση έξυπνων μετρητών με σκοπό την συλλογή και αποθήκευση στοιχείων για έναν καταναλωτή ή μια ομάδα καταναλωτών, η βελτίωση της παρακολούθησης του δικτύου διανομής για την αντιμετώπιση γρήγορων αλλαγών στο δίκτυο, η παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο όλων των πόρων και η αναγνώριση βλάβης καθώς και γεωγραφικός καθορισμός της. Στην σημερινή κατάσταση τα παρεχόμενα εργαλεία παρατήρησης του δικτύου είναι ώριμα και αξιόπιστα. Αντίστοιχα στον τομέα του ελέγχου, τα κύρια αντικείμενα μελέτης είναι η εφαρμογή νέων δυνατοτήτων για τον έλεγχο της συχνότητας και της ροής της ηλεκτρικής ενέργειας, η δημιουργία ελεγχόμενων υποσταθμών διανομής, η ανάπτυξη δικτύων τα οποία αναπροσαρμόζονται αυτόματα, η δυναμική αξιολόγηση της γραμμής μεταφοράς και η ανάπτυξη τεχνολογιών, όπως νέας τεχνολογίας μετασχηματιστές με σκοπό την μείωση των απωλειών από το σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας. Αρκετά από τα παραπάνω έχουν υλοποιηθεί και είναι αποδοτικά, όμως περαιτέρω ανάπτυξη χρειάζεται ο τομέας της ασφάλειας καθώς και η μεταφορά των εφαρμογών από μικρής σε μεγάλης κλίμακας προβλήματα. Ενσωμάτωση μεγάλης κλίμακας Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας Τα περισσότερα προγράμματα αυτής της κατηγορίας αφορούν στην ενσωμάτωση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας στο δίκτυο μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Βασικοί τομείς στους οποίους εστιάζουν τα προγράμματα αυτής της κατηγορίας είναι η δημιουργία εργαλείων για τον σχεδιασμό, τον έλεγχο και την λειτουργία των ΑΠΕ με στόχο την διευκόλυνση της ένταξής τους στην αγορά, η δημιουργία εργαλείων για την πρόβλεψη της παραγωγής των ΑΠΕ και η ανάπτυξη δικτύων για την ενσωμάτωση της αιολικής ενέργειας στο ήδη υπάρχον δίκτυο. Ενσωμάτωση Απομακρυσμένων Πηγών Ενέργειας Σε αυτήν την κατηγορία περιλαμβάνονται προγράμματα που επικεντρώνονται σε νέα συστήματα ελέγχου καθώς και νέες λύσεις υλικού (hardware) και λογισμικού (software) για την ενσωμάτωση απομακρυσμένων πηγών ενέργειας, έχοντας όμως εξασφαλισμένη την αξιοπιστία και την ασφάλεια του συστήματος. Τα προγράμματα εδώ εστιάζουν σε τεχνικές λύσεις κυρίως, όπως η ενεργή υποστήριξη του δικτύου μέσω των απομακρυσμένων πηγών ενέργειας, με εφαρμογή ελέγχου τάσης και ισχύος σε αυτές για την παροχή βοηθητικών υπηρεσιών, χρήση εγκαταστάσεων αποθήκευσης μαζί με αυτε της πηγές για έλεγχο τάσης, ρύθμιση της ροής ισχύος και εξισορρόπηση του δικτύου. Λύσεις για αυτά τα 18

22 1. Έξυπνα Δίκτυα Ενέργειας (Smart Energy Grids) ζητήματα έχουν βρεθεί αλλά δεν είναι ακόμα σε θέση να υιοθετηθούν από το δίκτυο. Χρειάζεται περαιτέρω ανάπτυξη με σκοπό την βελτιστοποίηση της αξιοπιστίας τους. Συγκέντρωση και Ομαδοποίηση Σε αυτήν την κατηγορία στόχος των προγραμμάτων είναι η ανάπτυξη μηχανισμών για την συγκέντρωση των δυνατοτήτων ευελιξίας της προσφοράς και της ζήτησης των αποκεντρωμένων πόρων, λαμβάνοντας υπ' όψιν τους περιορισμούς του δικτύου και της αγοράς. Οι κύριες προκλήσεις που δημιουργούνται και πρέπει να αντιμετωπιστούν σε αυτόν τον τομέα είναι η εύρεση προτύπων για τον έλεγχο και την επικοινωνία με σκοπό την αποφυγή δαπανών και το γεγονός ότι καθώς οι αγορές είναι πολύ διαφορετικές από χώρα σε χώρα θα είναι δύσκολή η εφαρμογή αποτελεσμάτων σε ένα γενικό μοντέλο. Έξυπνοι Καταναλωτές Έξυπνα Σπίτια Σε αυτή την κατηγορία περιλαμβάνονται προγράμματα τα οποία ελέγχουν έξυπνες εφαρμογές καθώς και αυτοματισμούς για το σπίτι. Τα αποτελέσματα των ελέγχων αυτών έδειξαν πολλά στοιχεία για την απόδοση των εφαρμογών αλλά και για τον τρόπο με τον οποίο βλέπει ο καταναλωτής μια μετάβαση στο Έξυπνο Δίκτυο. Αρκετά προγράμματα τα οποία πειραματίστηκαν με μεταβλητές χρεώσεις έδειξαν ότι είναι πιθανή η χρονική μετακίνηση μεγάλου φορτίου σε ώρες μη αιχμής. Παρατηρήθηκε ότι οι μεταβλητές χρεώσεις είναι ο καλύτερος τρόπος για την προσαρμογή της ζήτησης ανάλογα με την κατάσταση που βρίσκεται το δίκτυο. Παρ' όλα αυτά είναι απαραίτητο οι τεχνικές παρακολούθησης του δικτύου να είναι αρκετά ακριβείς ώστε να προσαρμόζονται σωστά οι τιμές. Πρέπει να αναφερθεί επίσης ότι οι περισσότεροι καταναλωτές είναι σκεπτικοί απέναντι σε μια μετάβαση σαν αυτή, καθώς δεν είναι άνετοι με την παραχώρηση του ελέγχου για συσκευές που βρίσκονται μέσα στο σπίτι τους. Έξυπνα Οχήματα Τα προγράμματα εδώ εστιάζουν στην ενσωμάτωση ηλεκτρικών και υβριδικών οχημάτων στο ηλεκτρικό δίκτυο. Κύριος ρόλος αυτών είναι να απαντήσουν στο πώς μπορεί το ηλεκτρικό δίκτυο να έχει τα καλύτερα αποτελέσματα από την φόρτιση και την εκφόρτιση των οχημάτων. Τομείς στους οποίους δίνουν έμφαση τα προγράμματα αυτά είναι η ανάπτυξη προτύπων, η ανάλυση των αναγκών του χρήστη, των χρόνων και των μοτίβων φόρτισης και των φορτίων στο δίκτυο. Τελικός σκοπός αυτών είναι να είναι δυνατή η σύσταση για την βέλτιστη υποδομή φόρτισης, με κριτήρια τον τύπο των οχημάτων, τον αριθμό των οχημάτων, την γεωγραφική τοποθεσία, την άνεση των χρηστών καθώς και το κόστος για το δίκτυο. 19

23 1. Έξυπνα Δίκτυα Ενέργειας (Smart Energy Grids) 1.5 Η συγκεκριμένη εργασία στα Έξυπνα Δίκτυα Ενέργειας Βάσει του εννοιολογικού μοντέλου που αναπτύχθηκε στην ενότητα 1.3 η υλοποίηση που περιλαμβάνει η συγκεκριμένη Διπλωματική Εργασία εντάσσεται στον Τομέα Καταναλωτή. Με ανάπτυξη των κατάλληλων εφαρμογών ανάλυσης δεδομένων μπορεί να συνεισφέρει και στον Τομέα Κέντρου Ενεργειών. Οι συσκευές μέτρησης που χρησιμοποιούνται έχουν σχεδιαστεί και υλοποιηθεί από την εταιρία BlueDev Ε.Π.Ε.. Ο τομέας της εταιρίας που δημιούργησε και εξελίσσει το συγκεκριμένο προϊόν ονομάζεται energylog. Τα προϊόντα είναι δύο ειδών. Υπάρχει ο τριφασικός μετρητής, ο οποίος συνδέεται στον κεντρικό πίνακα του κτηρίου και υπολογίζει την συνολική κατανάλωση και των τριών φάσεων, και ο μονοφασικός μετρητής, οποίος παρεμβάλλεται μεταξύ οποιασδήποτε ηλεκτρικής συσκευής και της πρίζας στην οποία είναι συνδεδεμένη και υπολογίζει την κατανάλωση της συγκεκριμένης συσκευής. Η ακρίβεια των συσκευών αυτών είναι 1%. Τα προγράμματα τα οποία σχεδιάστηκαν έχουν στόχο την άντληση δεδομένων από τις συγκεκριμένες συσκευές και στην συνέχεια την αποθήκευσή τους. Ταυτόχρονα ο χρήστης ενημερώνεται συνεχώς για την τρέχουσα κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας, ενώ μέσω ιστοσελίδας έχει την δυνατότητα να δει το ιστορικό των καταναλώσεών του. 20

24 2. Νεφοϋπολογιστική (Cloud Computing) 21

25 2. Νεφοϋπολογιστική (Cloud Computing) 2.1 Εισαγωγή στην Νεφοϋπολογιστική Η Νεφοϋπολογιστική (Cloud Computing) είναι μια γενική έκφραση που χρησιμοποιείται για να περιγράψει μια ποικιλία εννοιών. Το κοινό αυτών των εννοιών είναι ότι όλες περιλαμβάνουν υπολογιστές που συνδέονται μέσω ενός δικτύου επικοινωνίας πραγματικού χρόνου. Ένας ορισμός που θεωρείται αρκετά γενικός αλλά και περιγραφικός ταυτόχρονα είναι αυτός που δίνει το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογιών της Αμερικής (National Institute of Standards and Technology) και είναι ο εξής: Η Νεφοϋπολογιστική είναι ένα μοντέλο που επιτρέπει ευέλικτη, κατ' απαίτηση δικτυακή πρόσβαση σε ένα κοινόχρηστο σύνολο παραμετροποιήσιμων υπολογιστικών πόρων (όπως δίκτυα, εξυπηρετητές, αποθηκευτικοί χώροι, εφαρμογές και υπηρεσίες), το οποίο μπορεί να τροφοδοτηθεί γρήγορα και να διατεθεί με ελάχιστη προσπάθεια διαχείρισης ή αλληλεπίδραση με τον φορέα παροχής της υπηρεσίας [6]. Το μοντέλο αυτό διακρίνεται από πέντε βασικά χαρακτηριστικά και υπάρχουν τέσσερα μοντέλα ανάπτυξης και τρία μοντέλα παροχής υπηρεσιών. Αυτά αναλύονται παρακάτω Τα Βασικά Χαρακτηριστικά Εξυπηρέτηση κατ' απαίτηση (On-demand Self-Service): Ο καταναλωτής, είτε αυτός είναι οικιακός χρήστης είτε εμπορικός - βιομηχανικός, μπορεί μονομερώς να κατανείμει τους υπολογιστικούς πόρους που του παρέχονται, όπως ο χρόνος του εξυπηρετητή (server) ή ο χώρος αποθήκευσης, έτσι ώστε να εξυπηρετούν τις ανάγκες του, χωρίς να απαιτείται ανθρώπινη αλληλεπίδραση με τον φορέα παροχής υπηρεσιών. Ευρεία πρόσβαση μέσω δικτύου (Broad Network Access): Οι δυνατότητες που παρέχονται είναι διαθέσιμες μέσω δικτύου και προσβάσιμες μέσω τυποποιημένων μηχανισμών που προωθούν την χρήση από ετερογενείς πλατφόρμες (ο χρήστης έχει την δυνατότητα να εξυπηρετηθεί μέσω ενός μεγάλου φάσματος πλατφορμών, όπως παραδείγματος χάριν το κινητό του, η ταμπλέτα του, ο προσωπικός του υπολογιστής, ή ένας σταθμός εργασίας). Συγκέντρωση πόρων (Resource Pooling): Οι υπολογιστικοί πόροι του φορέα παροχής υπηρεσιών συγκεντρώνονται με σκοπό την εξυπηρέτηση πολλών πελατών, με του πραγματικούς αλλά και τους εικονικούς πόρους να εκχωρούνται δυναμικά και εκ νέου ανάλογα με την ζήτηση του κάθε 22

26 2. Νεφοϋπολογιστική (Cloud Computing) καταναλωτή. Υπάρχει μια αίσθηση ανεξαρτησίας θέσης, ότι δηλαδή ο χρήστης δεν γνωρίζει την ακριβή τοποθεσία των πόρων που χρησιμοποιεί, αλλά μπορεί να γνωρίζει μέσω διαφόρων τεχνικών κάποιες γενικότερες πληροφορίες, όπως την χώρα. Ως παραδείγματα των υπολογιστικών πόρων στους οποίους γίνεται αναφορά αναφέρονται η αποθήκευση, η επεξεργασία, η μνήμη και το εύρος ζώνης δικτύου. Ταχεία Ελαστικότητα (Rapid Elasticity): Οι δυνατότητες που παρέχει ο φορέας, σε ορισμένες περιπτώσεις αυτόματα, μπορούν να τροφοδοτηθούν και να κυκλοφορήσουν με ελαστικότητα, επιτρέποντας έτσι την ταχεία κλιμάκωσή τους προς οποιαδήποτε κατεύθυνση ανάλογα με την ζήτηση. Από πλευράς καταναλωτή, οι δυνατότητες αυτές συχνά φαίνονται απεριόριστες και διαθέσιμες ανά πάσα στιγμή. Μέτρηση της Υπηρεσίας (Measured Service): Τα συστήματα νεφοϋπολογιστικής (cloud computing) ελέγχουν και βελτιστοποιούν την χρήση των πόρων χρησιμοποιώντας ένα σύστημα μέτρησης ανάλογα με το είδος της υπηρεσίας. Η χρήση των πόρων συνεχώς παρακολουθείται, ελέγχεται και παρουσιάζεται παρέχοντας διαφάνεια τόσο για τον φορέα παροχής όσο και για των καταναλωτή της υπηρεσίας Τα Μοντέλα Ανάπτυξης Ιδιωτικό Νέφος (Private Cloud): Στο συγκεκριμένο μοντέλο η υποδομή του νέφους είναι διαμορφωμένη και προορίζεται για χρήση από έναν και μόνο οργανισμό, ο οποίος αποτελείται από πολλούς χρήστες. Τέτοιο παράδειγμα είναι μια επιχειρηματική μονάδα. Μπορεί να ανήκει και να διαχειρίζεται είτε από τον οργανισμό που τον χρησιμοποιεί είτε από κάποιον τρίτο. Ως φυσική τοποθεσία μπορεί να είναι είτε στις εγκαταστάσεις του οργανισμού είτε οπουδήποτε αλλού. Νέφος Κοινότητας (Community Cloud): Σε αυτό το μοντέλο η υποδομή του νέφους είναι διαμορφωμένη και προορίζεται για αποκλειστική χρήση από μια συγκεκριμένη κοινότητα καταναλωτών που ανήκουν σε κάποιους οργανισμούς που μοιράζονται κοινές ανησυχίες (όπως παραδείγματος χάριν κοινή αποστολή, κοινές απαιτήσεις ασφάλειας και κοινή πολιτική). Όπως και το ιδιωτικό νέφος, μπορεί να ανήκει και να διαχειρίζεται είτε από κάποιον οργανισμό της κοινότητας είτε από κάποιον τρίτο. Ως φυσική τοποθεσία μπορεί να είναι είτε στις εγκαταστάσεις ενός εκ των οργανισμών της κοινότητας είτε οπουδήποτε αλλού. 23

27 2. Νεφοϋπολογιστική (Cloud Computing) Δημόσιο Νέφος (Public Cloud): Σε αυτό το μοντέλο η υποδομή του νέφους είναι διαμορφωμένη και προορίζεται για χρήση από το ευρύ κοινό. Μπορεί να ανήκει και να διαχειρίζεται από κάποια επιχείρηση, από κάποιον ακαδημαϊκό οργανισμό, από κάποιον κυβερνητικό οργανισμό ή από κάποιον συνδυασμό αυτών. Βρίσκεται στις εγκαταστάσεις του φορέα παροχής υπηρεσιών. Υβριδικό Νέφος (Hybrid Cloud): Αυτό το μοντέλο αποτελείται από ένα συνδυασμό δύο ή περισσότερων διακριτών μοντέλων (Ιδιωτικό, Κοινότητας ή Δημόσιο), τα οποία παραμένουν ξεχωριστές οντότητες αλλά συνδέονται με τυποποιημένη ή αποκλειστική τεχνολογία που επιτρέπει την φορητότητα δεδομένων και εφαρμογών Τα Μοντέλα Παροχής Υπηρεσιών Λογισμικό ως Υπηρεσία (Software as a Service SaaS): Δίνεται στον χρήστη η δυνατότητα να χρησιμοποιεί εφαρμογές του φορέα παροχής υπηρεσιών οι οποίες εκτελούνται στις υποδομές του νέφους. Οι εφαρμογές είναι προσβάσιμες από τον χρήστη μέσω διάφορων συσκευών. Μπορεί δηλαδή ο χρήστης να χρησιμοποιήσει την υπηρεσία είτε από μια γενική διεπαφή, όπως ένας φυλλομετρητής, είτε μέσω μια ειδικά για αυτό το σκοπό διαμορφωμένης διεπαφής. Ο χρήστης δεν διαχειρίζεται ούτε ελέγχει την υποδομή του νέφους συμπεριλαμβανομένων των εξυπηρετητών, του δικτύου, των λειτουργικών συστημάτων, του χώρου αποθήκευσης, με εξαίρεση ίσως την παραμετροποίηση της συγκεκριμένης εφαρμογής που χρησιμοποιεί. Πλατφόρμα ως Υπηρεσία (Platform as a Service PaaS): Η δυνατότητα που δίνεται στον χρήστη είναι να αναπτύξει δικές του εφαρμογές, πάνω στην υποδομή του νέφους, χρησιμοποιώντας γλώσσες προγραμματισμού, βιβλιοθήκες, υπηρεσίες και εργαλεία που υποστηρίζονται από τον φορέα παροχής του νέφους. Ο χρήστης δεν έχει την δυνατότητα ελέγχου ή διαχείρισης της υποδομής του νέφους, μπορεί όμως να ελέγχει και να παραμετροποιεί το περιβάλλον φιλοξενίας των εφαρμογών. Υποδομή ως Υπηρεσία (Infrastructure as a Service IaaS): Σε αυτό το μοντέλο ο χρήστης έχει την δυνατότητα να διατάξει τους υπολογιστικούς πόρους, όπως παραδείγματος χάριν η επεξεργασία, η μνήμη, ο αποθηκευτικός χώρος και τα δίκτυα. Πάνω σε αυτή την παραμετροποιημένη από τον ίδιο υποδομή, ο χρήστης είναι σε θέση να αναπτύξει και να εκτελέσει αυθαίρετο λογισμικό, το οποίο μπορεί να περιλαμβάνει λειτουργικά συστήματα και εφαρμογές. Ο χρήστης δεν έχει την δυνατότητα διαχείρισης ή ελέγχου της υποδομής του νέφους, αλλά έχει τον έλεγχο των λειτουργικών συστημάτων, 24

28 2. Νεφοϋπολογιστική (Cloud Computing) του χώρου αποθήκευσης και των αναπτυγμένων από το χρήστη εφαρμογών. Επίσης σε κάποιες περιπτώσεις έχει περιορισμένο έλεγχο σε κάποια στοιχεία του δικτύου, όπως παραδείγματος χάριν το τοίχος προστασίας. Στην παρακάτω εικόνα [εικ. 2.1] φαίνονται συνοπτικά ποιος εκ των χρήστη και φορέα παροχής υπηρεσιών ελέγχει και διαχειρίζεται συγκεκριμένα στοιχεία της υποδομής του νέφους ανάλογα με το μοντέλο παροχής το οποίο χρησιμοποιείται. εικ. 2.1 διαχείριση πόρων ανάλογα με μοντέλο [7] Σημαντικό ρόλο στο νέφος παίζει η εικονικοποίηση (virtualization). Με τον όρο αυτόν περιγράφεται η τεχνολογία με την οποία τα φυσικά συστήματα μετατρέπονται σε εικονικά. Κάθε σύνολο φυσικών πόρων (όπως παραδείγματος χάριν η επεξεργαστική ισχύς, η μνήμη ή ο αποθηκευτικός χώρος) μετατρέπεται σε έναν ενιαίo πόρο που μοιράζεται ταυτόχρονα σε πολλά εικονικά συστήματα. Για την χρήση αυτής της τεχνολογίας απαιτούνται κατάλληλο υλικό (hardware), λογισμικό εικονικοποίησης (hypervisor) και λογισμικό διαχείρισης. Με την εικονικοποίηση το υλικό διαχωρίζεται από το λογισμικό. Στην συνέχεια το λογισμικό εικονικοποίησης λειτουργεί ως ένα ενδιάμεσο επίπεδο μεταξύ υλικού και λογισμικού. Ένα επίπεδο στο οποίο γίνεται η ενοποίηση των φυσικών πόρων και ο διαμοιρασμός τους στα εικονικά συστήματα. Τα εικονικά συστήματα λειτουργούν σαν να 25

29 2. Νεφοϋπολογιστική (Cloud Computing) επικοινωνούσαν απ' ευθείας με το υλικό, παρ' όλο που στην πραγματικότητα επικοινωνούν με το επίπεδο της εικονικοποίησης. Αυτό επιτρέπει την ανακατανομή των πόρων μεταξύ των εικονικών συστημάτων, εν ώρα λειτουργίας, σύμφωνα με τις ανάγκες. Το αποτέλεσμα είναι η καλύτερη εκμετάλλευση των συνολικών πόρων, μεγάλη εξοικονόμηση ενέργειας και φυσικού χώρου και ευκολότερη διαχείριση της υποδομής. Στις παρακάτω δύο εικόνες (εικ. 2.2 και εικ. 2.3) φαίνεται η διαφορά μεταξύ του πραγματικού και του εικονικού μοντέλου. εικ. 2.2 Πραγματικό μοντέλο [8] εικ. 2.3 Εικονικό μοντέλο [8] 26

30 2. Νεφοϋπολογιστική (Cloud Computing) 2.2 Πλεονεκτήματα της Νεφοϋπολογιστικής Φορητότητα (Portability) Λόγω της παγκοσμιοποίησης της οικονομίας,πολύ συχνό φαινόμενο αποτελεί το γεγονός υπάλληλοι κάποιας επιχείρησης να χρειαστεί να βρίσκονται και να εργάζονται μακριά από τα κεντρικά της γραφεία. Με την χρήση της νεφοϋπολογιστικής δίνεται η δυνατότητα στις επιχειρήσεις να παρέχουν την υπολογιστική τους ισχύ, και γενικότερα τους υπολογιστικούς τους πόρους, στους υπαλλήλους όπου και αν αυτοί βρίσκονται. Στην πράξη όπου και να χρειαστεί να εργαστεί ένας υπάλληλος θα έχει στην διάθεσή του ένα είδος τερματικού (έναν υπολογιστή ή ακόμα και ένα έξυπνο κινητό τηλέφωνο) και σύνδεση στο διαδίκτυο, θα μπορεί έτσι να εκμεταλλευτεί αυτό το πλεονέκτημα. Με αυτόν τον τρόπο οι επιχειρήσεις μπορούν να είναι ευέλικτες σε γεωγραφικό επίπεδο. Ακόμα και σε περίπτωση ιδιωτών καταναλωτών το γεγονός αυτό αποτελεί τεράστιο πλεονέκτημα, καθώς τους επιτρέπεται η χρήση των προσωπικών τους αρχείων, ή ακόμα και του προσωπικού τους υπολογιστή όπου και αν βρίσκονται. Επεκτασιμότητα (Scalability) Με την χρήση της νεφοϋπολογιστικής ο χρήστης έχει την δυνατότητα να αλλάξει τους υπολογιστικούς πόρους που χρησιμοποιεί γρήγορα, είτε χρειάζεται περισσότερους είτε λιγότερους. Ένα παράδειγμα που αυτό είναι χρήσιμο, είναι οι ερευνητικοί οργανισμοί, με την έννοια ότι είναι σε θέση να επεξεργάζονται μεγάλες ποσότητες δεδομένων, σε ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα χρησιμοποιώντας μεγάλους υπολογιστικούς πόρους, και στην συνέχεια να επιστρέφουν στους απαραίτητους, που είναι λιγότεροι από πριν. Όλα αυτά συμβαίνουν χωρίς να είναι απαραίτητο να έχουν στην κατοχή τους μεγάλους εξυπηρετητές. Είναι καλύτερα για πολλές επιχειρήσεις να νοικιάζουν την χρήση ισχυρών υπολογιστών, σε αντίθεση με την αγορά τους. Οι εποχιακές επιχειρήσεις θα έχουν τεράστιο κέρδος αν απλά νοικιάζουν τους απαιτούμενους εξυπηρετητές μόνο τις περιόδους που τους χρειάζονται. Για παράδειγμα μια επιχείρηση που ασχολείται με τις προετοιμασίες φορολογικών θα είναι σε θέση να χρησιμοποιεί τους πόρους μόνο τους μήνες που τους χρειάζεται και να ανακαλεί την χρήση τους όταν δεν τους έχει ανάγκη. 27

31 2. Νεφοϋπολογιστική (Cloud Computing) Οικονομία Οι εταιρίες που παρέχουν υπηρεσίες νεφοϋπολογιστικής, προβλέποντας αύξηση της ζήτησης τα επόμενα χρόνια, επενδύουν πάρα πολλά λεφτά σε υποδομές για μαζικά συμπλέγματα εξυπηρετητών. Αυτό γίνεται χωρίς να γνωρίζουν την ακριβή χρήση τους, αλλά γνωρίζουν ότι η ζήτηση θα υπάρξει. Τα τμήματα πληροφορικής κάθε επιχείρησης απαιτούν ένα μεγάλο κομμάτι του προϋπολογισμού, τα οποία θα μπορούσαν να διατεθούν σε άλλους, ίσως πιο απαραίτητους τομείς, όπως η διαφήμιση, η έρευνα και η ανάπτυξή, και οι ανθρώπινοι πόροι. Με τη χρήση της νεφοϋπολογιστικής η αγορές υλικού για πληροφοριακά συστήματα (hardware) δεν είναι πια απαραίτητες εφόσον μέρος η το σύνολο της εκάστοτε εργασίας μπορεί να εκτελεσθεί στο νέφος. Οπότε είναι προτιμότερο για κάθε επιχείρηση να αφήσει το πρόβλημα της υλικής υποδομής στον εκάστοτε φορέα που της παρέχει τις υπηρεσίες. Ευελιξία στο Λογισμικό Ένα σημαντικό όφελος είναι ότι δεν υπάρχουν πολλές δυσλειτουργίες στις εφαρμογές του νέφους. Για παράδειγμα οι αναβαθμίσεις πλέον ελέγχονται και πραγματοποιούνται από τους φορείς παροχής υπηρεσιών. Ένα συχνό φαινόμενο στις επιχειρήσεις να αντιμετωπίζουν προβλήματα με τα λογιστικά τους, λόγω ασυμβατότητας εφαρμογών ή συνεχών απαιτήσεων για αναβάθμιση. Στα συγκεκριμένα ζητήματα το υπολογιστικό νέφος είναι η καλύτερη μέθοδος αφού αναλαμβάνει τον πλήρη έλεγχο σημαντικών υπηρεσιών ή εφαρμογών όπως το ηλεκτρονικό ταχυδρομείο, οι επεξεργαστές κειμένου και άλλα. Προβλήματα που προκαλούν στα υπολογιστές βαριές εφαρμογές, λύνονται πλέον μέσω της νεφοϋπολογιστικής καθώς αυτές εκτελούνται χρησιμοποιώντας ακριβώς τους πόρους που χρειάζονται. 2.3 Μειονεκτήματα - Προκλήσεις της Νεφοϋπολογιστικής Αξιοπιστία (Dependability) Οι εταιρίες που ασχολούνται με την παροχή υπηρεσιών νεφοϋπολογιστικής πρέπει να μπορούν να εγγυηθούν για ένα υψηλό επίπεδο αξιοπιστίας. Ένα καλό παράδειγμα τέτοιας αξιοπιστίας είναι οι εταιρίες που παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια. Η ενέργεια είναι μια πολύ αξιόπιστη πηγή, εκτός από λόγους ανωτέρας βίας. Οπότε οι φορείς παροχής υπηρεσιών νεφοϋπολογιστικής πρέπει να 28

32 2. Νεφοϋπολογιστική (Cloud Computing) ανταγωνιστούν σε αυτό το επίπεδο. Η αξιοπιστία θα μπορούσε να είναι σημαντικό πρόβλημα σε επιχειρήσεις οι οποίες βασίζονται κατά ένα μεγάλο μέρος ή εξ ολοκλήρου στο νέφος για την συνεχή λειτουργία κρίσιμων επιχειρηματικών λειτουργιών. Μια λύση σε αυτό το πρόβλημα θα μπορούσε να είναι ένα υβριδικό νέφος. Με αυτόν τον τρόπο οι κρίσιμες λειτουργίες θα εκτελούνται στις εγκαταστάσεις της επιχείρησης και θα επιβλέπονται από αυτή, ενώ το μεγαλύτερο μέρος των μη κρίσιμων επεξεργασιών θα γίνεται στο ενοικιαζόμενο νέφος. Μια τέτοια προσέγγιση απαιτεί υψηλού επιπέδου οργάνωση αλλά μπορεί να είναι ευεργετική. Ανησυχίες στο συγκεκριμένο ζήτημα υπάρχουν και σχετικά με το αν μπορούν τα δεδομένα, που αποθηκεύονται στο νέφος, να χαθούν. Αν και κάτι τέτοιο δεν είναι πολύ πιθανό, οι επιχειρήσεις που σκοπεύουν να συνεργαστούν με κάποιο φορέα παροχής υπηρεσιών νέφους, μπορεί να θέλουν να ενημερωθούν σε βάθος για τον τρόπο δημιουργίας αντιγράφων ασφαλείας. Ιδανική θα ήταν η γνώση της ακριβούς γεωγραφικής τοποθεσίας των δεδομένων αυτών, αλλά οι περισσότεροι ιδιοκτήτες νέφους δεν είναι σε θέση να δώσουν ευαίσθητες πληροφορίες, σαν αυτή. Ασφάλεια (Security) Η νεφοϋπολογιστική χωρίς αμφιβολία είναι ένα συνεχώς αναπτυσσόμενο και πολύτιμο μοντέλο για την επιστήμη της πληροφορικής, και οι επαγγελματίες οφείλουν να το χρησιμοποιήσουν προς όφελος της επιχείρησης για την οποία εργάζονται. Ωστόσο η φιλοξενία υπηρεσιών και εφαρμογών στο νέφος και η πρόσβασή σε αυτές μέσω του διαδικτύου εγκυμονούν κινδύνους. Για παράδειγμα η ανικανότητα της επιχείρισης να παρακολουθεί τους πόρους που χρησιμοποιεί και να ελέγχει το ποιος έχει πρόσβαση σε αυτούς όταν δεν τους χρησιμοποιεί, αποτελεί ένα τεράστιο εμπόδιο στην εξέλιξη τέτοιου είδους υπηρεσιών. Είναι δεδομένο ότι οι διαχειριστές της ασφάλειας των δικτύων μιας εταιρίας, βλέπουν με φόβο την μετάβαση στην νεφοϋπολογιστική καθώς αυτή αποτελεί ιδανική ευκαιρία για κάποιον να εισβάλει στο δίκτυο της εταιρίας. Συμπερασματικά όσο συναρπαστικό και αν είναι για μια επιχείρηση να έχει ένα σημαντικό μέγεθος υπολογιστικών πόρων διαθέσιμο οποιαδήποτε στιγμή και από οπουδήποτε, η ασφάλεια των ευαίσθητων δεδομένων προκαλεί δυσκολία στην μετάβαση όλων των λειτουργιών στο νέφος. Ο χρόνος και η ικανότητα των φορέων παροχής υπηρεσιών νέφους θα δείξει κατά πόσον είναι δυνατό να ξεπεραστεί πλήρως το συγκεκριμένο ζήτημα. Ως μειονέκτημα θα μπορούσε να αναφέρει κανείς το γεγονός ότι απαιτείται σύνδεση στο διαδίκτυο για την χρήση της συγκεκριμένης τεχνολογίας, αλλά βάσει των σημερινών δεδομένων οι περιπτώσεις που δεν υπάρχει είναι σπάνιες. Επίσης το γεγονός ότι είναι μια σχετικά νέα και συνεχώς αναπτυσσόμενη 29

33 2. Νεφοϋπολογιστική (Cloud Computing) τεχνολογία έχει ως αποτέλεσμα ότι δεν μπορεί κανείς να έχει σαφή αποτελέσματα για την χρήση της. Όσο περισσότερο διαδίδεται θα υπάρχουν προβλήματα που δεν έχουν ξαναβρεθεί όμως με την πάροδο του χρόνου θα λύνονται και η τεχνολογία αυτή θα εμπνέει όλο και περισσότερο εμπιστοσύνη. 2.4 Ιστορική αναδρομή και ανάπτυξη της νεφοϋπολογιστικής Έννοιες και λειτουργίες πολύ κοντινές με αυτό που σήμερα ονομάζει κανείς υπολογιστικό νέφος χρονολογούνται από την δεκαετία του 1950, όταν πανεπιστήμια και επιχειρήσεις απέκτησαν τους λεγόμενους Κεντρικούς Υπολογιστές (Mainframe Computers). Ολόκληρη η υποδομή του κάθε Κεντρικού Υπολογιστή βρισκόταν μέσα σε ένα δωμάτιο, και πολλοί χρήστες είχαν την δυνατότητα πρόσβασης σε αυτούς μέσω τερματικών. Τα τερματικά ήταν υπολογιστές ελάχιστης υπολογιστικής ισχύος, των οποίων η αποκλειστική λειτουργία ήταν η σύνδεση των χρηστών με τους κεντρικούς υπολογιστές. Λόγω του κόστους αγοράς και συντήρησης ενός κεντρικού υπολογιστή, δεν ήταν δυνατό για κάποιον οργανισμό να έχει ένα για κάθε χρήστη. Για το λόγο αυτό έγινε πράξη ο διαμοιρασμός του αποθηκευτικού χώρου και της υπολογιστικής ισχύος μεταξύ πολλών χρηστών. Με αυτόν τον τρόπο ο οργανισμός προέβλεπε σε καλύτερη απόδοση της επένδυσής του σε ένα τόσο εξελιγμένο τεχνολογικό προϊόν. Αρκετά αργότερα, την δεκαετία του 1970 η IBM κυκλοφόρησε το λειτουργικό σύστημα VM το οποίο επέτρεπε στους διαχειριστές (administrator) να τρέχουν πάνω στον Κεντρικό Υπολογιστή πολλαπλά εικονικά συστήματα, (ή εικονικές μηχανές Virtual Machines VΜs) χρησιμοποιώντας το ίδιο υλικό (hardware). Το λειτουργικό αυτό πήρε την τεχνική που χρησιμοποιούταν την δεκαετία του 1950 και την προχώρησε ένα επίπεδο επιτρέποντας πολλαπλά διαφορετικά περιβάλλοντα να εκτελούνται από το ίδιο φυσικό περιβάλλον. Οι περισσότερες των λειτουργιών αυτού που ονομάζεται σήμερα εικονικοποίηση, σε ένα πρώιμο στάδιο, μπορούν να βρεθούν σε αυτό το λειτουργικό σύστημα. Στην δεκαετία του 1990 οι εταιρίες τηλεπικοινωνιών που έως τότε προσέφεραν αποκλειστικά συνδέσεις δεδομένων από ένα σημείο αποκλειστικά σε ένα άλλο (point-to-point data connection) άρχισαν να προσφέρουν συνδέσεις εικονικού ιδιωτικού δικτύου (Virtual Private Network VPN) ίδιας ποιότητας με τις προηγούμενες υπηρεσίες αλλά σε χαμηλότερο κόστος. Αντί για την κατασκευή μιας φυσικής υποδομής για να επιτρέψουν στους χρήστης να έχουν τις δικές τους συνδέσεις, οι εταιρίες τηλεπικοινωνιών ήταν σε θέση μοιρασμένη πρόσβαση στην ίδια υποδομή. Η αλλαγή αυτή επέτρεπε στις εταιρίες να μεταβάλλουν την κίνηση του δικτύου όπως ήθελαν, με σκοπό την καλύτερη ισορροπία 30

34 2. Νεφοϋπολογιστική (Cloud Computing) του δικτύου και τον καλύτερο έλεγχο του εύρους ζώνης του δικτύου. Εν τω μεταξύ η εικονικοποίηση ως τεχνολογία είχε αναπτυχθεί με μεγάλα βήματα, και σε συνδυασμό με την εξάπλωση του διαδικτύου, επόμενο βήμα ήταν η χρήση αυτής της τεχνολογίας σε συστήματα μέσω διαδικτύου. Οι οικονομικές απαιτήσεις για κάποιον που ήθελε να αγοράσει έναν εξυπηρετητή (server) ήταν αρκετά υψηλές. Επίσης όλο και περισσότεροι χρήστες ζητούσαν κάποιον εξυπηρετητή έτσι ώστε να αποκτήσουν την δικιά τους ιστοσελίδα, και λαμβάνοντας υπ' όψιν το μεγάλο κόστος για φυσικές υποδομές, η εικονικοποίηση παρουσιάστηκε ως μια πολύ καλή λύση. Για παράδειγμα έστω μια επιχείρηση που απαιτεί 10 συστήματα για να εκτελούν εφαρμογές και να παρουσιάζουν ιστοσελίδες. Με την χρήση της εικονικοποίησης αυτά τα συστήματα μπορούν να είναι εικονικά και να λειτουργούν πάνω σε ένα ή δύο φυσικά. Προφανώς, αυτό το είδος του περιβάλλοντος εξοικονομεί το κόστος των υποδομών και ελαχιστοποιεί την ποσότητα του υλικού (hardware) που απαιτείται για τις ανάγκες κάποιας επιχείρισης. Καθώς οι τεχνολογίες αξιόπιστης ανταλλαγής αρχείων και παροχής πόρων εξελίχθηκαν, κάποιες εταιρίες καινοτομώντας αποφάσισαν να παρέχουν την υλική τους υποδομή μέσω εικονικοποίησης στους χρήστες. Με την πάροδο του χρόνου οι παροχές αυτές αναπτύχθηκαν φτάνοντας στο σήμερα όπου οι υπηρεσίες νέφους παρέχονται στον χρήστη από πολλές εταιρίες, καθώς επίσης υπάρχει και το απαραίτητο λογισμικό ώστε ο χρήστης να υλοποιήσει σε δικές του υποδομές το προσωπικό του νέφος. 2.5 Χρήση της νεφοϋπολογιστικής στην συγκεκριμένη εργασία Για της ανάγκες της αποθήκευσης των δεδομένων που αντλούνται από τις συσκευές μέτρησης, αποφασίστηκε να χρησιμοποιηθεί ένας εικονικός εξυπηρετητής αντί της χρήσης ενός φυσικού μηχανήματος. Αυτή η επιλογή κρίθηκε κατάλληλη, όχι μόνο λόγω των πλεονεκτημάτων που αναφέρθηκαν παραπάνω, αλλά και για πρακτικές λύσεις στις οποίες συνεισφέρει, όπως το γεγονός ότι βάσει προδιαγραφών, ο εικονικός εξυπηρετητής θα είναι συνεχώς σε λειτουργία. Ακόμα και σε περίπτωση σφάλματος, η επανεκκίνηση της εικονικής μηχανής μπορεί να γίνει χωρίς την φυσική παρουσία κανενός στον χώρο. Το σύννεφο το οποίο επιλέχθηκε να χρησιμοποιηθεί είναι αυτό που σχεδιάστηκε, υποστηρίζεται και παρέχεται από το Ελληνικό Δίκτυο Έρευνας και Τεχνολογίας (ΕΔΕΤ Greek Reseasrch and Technology Network GRNET) [9]. Η υπηρεσία προσφέρεται κυρίως για ακαδημαϊκά μέλη, από 31

35 2. Νεφοϋπολογιστική (Cloud Computing) προπτυχιακούς φοιτητές μέχρι καθηγητές. Το όνομα του σύννεφου είναι ωκεανός (~okeanos) και οι δύο κύριες υπηρεσίες που προσφέρει είναι η cyclades και η pithos+. Η δεύτερη υπηρεσία αφορά σε παροχή αποθηκευτικού χώρου ενώ η πρώτη, η οποία και χρησιμοποιήθηκε για τις ανάγκες της εργασίας, είναι μια υπηρεσία που προσφέρει υποδομή (Infrastructure as a Service IaaS). Το λογισμικό στο οποίο στηρίζεται η λειτουργία του okeanos είναι το synnefo, το οποίο σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε από την ΕΔΕΤ Ο εικονικός εξυπηρετητής που δημιουργήθηκε, έχει τέσσερις επεξεργαστές, 4096 MB μνήμη RAM και 40 GB μέγεθος σκληρού δίσκου. Το λειτουργικό το οποίο επιλέχθηκε να εγκατασταθεί είναι το Ubuntu Server Ο εξυπηρετητής είναι ένας LAMP Server, δηλαδή το λειτουργικό είναι Linux, και έχει τις υπηρεσίες Apache, MySQL και PHP. Η πρώτη είναι για να να εμφανίζεται η ιστοσελίδα, η δεύτερη για την αποθήκευση των δεδομένων σε μια SQL βάση δεδομένων και η τελευταία για την εμφάνιση των αποτελεσμάτων στην ιστοσελίδα. 32

36 3. Η συσκευή μέτρησης 33

37 3. Η συσκευή μέτρησης 3.1 Η συσκευή μέτρησης Σημαντικό ρόλο στην εκπόνηση της εργασίας έχουν οι συσκευές μέτρησης. Οι συσκευές μέτρησης που χρησιμοποιούνται έχουν σχεδιαστεί, υλοποιηθεί και παραχωρηθεί για της ανάγκες της εργασίας από την BlueDev Ε.Π.Ε.. Ο τομέας της εταιρίας που δημιούργησε και εξελίσσει το συγκεκριμένο προϊόν ονομάζεται energylog. Η συσκευή αποτελεί ταυτόχρονα μετρητή ηλεκτρικής ενέργειας, και διακόπτη. Τα προϊόντα είναι δύο ειδών. Υπάρχει ο τριφασικός μετρητής (εικ. 3.1), ο οποίος συνδέεται στον κεντρικό πίνακα του κτηρίου και υπολογίζει την συνολική κατανάλωση (των τριών φάσεων), και ο μονοφασικός μετρητής (εικ. 3.2),ο οποίος παρεμβάλλεται μεταξύ οποιασδήποτε ηλεκτρικής συσκευής και της πρίζας στην οποία είναι συνδεδεμένη, και υπολογίζει την κατανάλωση της συγκεκριμένης συσκευής. Η ακρίβεια των συσκευών αυτών βάσει των στοιχείων που παρουσιάζει η εταιρία είναι 1%. εικ. 3.1 και 3.2 Ο τριφασικός και ο μονοφασικός μετρητής [10] Οι μετρητές, μέσω μιας συσκευής USB (PAN Coordinator), στέλνουν στον τοπικό υπολογιστή, όταν τους ζητηθεί, ένα πακέτο με πληροφορίες. Η επικοινωνία αυτή πραγματοποιείται μέσω της τεχνολογίας ZigBee. Το πακέτο περιέχει τα κατάλληλα δεδομένα, ώστε ο υπολογιστής με τους κατάλληλους υπολογισμούς, να μπορεί να εξάγει τις εξής πληροφορίες: στιγμιαία κατανάλωση ενέργειας, θερμοκρασία της πρίζας καθώς και συνολική κατανάλωση ενέργειας από την πρώτη χρήση του μετρητή. 34

38 3. Η συσκευή μέτρησης 3.2 Το πρωτόκολλο ZigBee Το Zigbee είναι ένα τυποποιημένο πρωτόκολλο επικοινωνίας το οποίο δημιουργήθηκε για χρήση σε ασύρματα προσωπικά δίκτυα (WPAN Wireless Personal Area Network). Είναι δηλαδή ένα σύνολο προδιαγραφών για ψηφιακή ασύρματη επικοινωνία μεταξύ υπολογιστών και άλλων ηλεκτρικών συσκευών [11]. Αντίστοιχα πρωτόκολλα είναι το Wi-Fi και το Bluetooth. Η χρήση του σε δοκιμαστικές εφαρμογές ξεκίνησε το 1998 ενώ το 2003 έγινε πρωτόκολλο. Συγκρινόμενο με τα υπόλοιπα πρωτόκολλα για ασύρματα προσωπικά δίκτυα, παρατηρούμε κάποιες διαφορές. Σημαντική διαφορά είναι ότι το ZigBee απαιτεί την χαμηλότερη κατανάλωση ισχύος από την συσκευή που επικοινωνεί μέσω του συγκεκριμένου πρωτοκόλλου. Η μέγιστη εμβέλεια μιας τέτοιας επικοινωνίας είναι περίπου τα 100 μέτρα, εξαρτώμενη από την παρεχόμενη ισχύ καθώς και το περιβάλλον στο οποίο βρίσκεται το δίκτυο, ενώ η αντίστοιχη εμβέλεια του πρωτοκόλλου Bluetooth είναι τα 10 μέτρα και του Wi-Fi τα 100 μέτρα. Ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων μπορεί να φτάσει έως τα 250 Kbits/s, πολύ μικρότερος από το 1 Mbits/s του Bluetooth και από τα 54 Mbits/s του Wi-Fi, γεγονός, που σε συνδυασμό με την χαμηλή κατανάλωση ισχύος, το καθιστά ιδανικό για σήματα με μικρή ποσότητα πληροφορίας. Γι' αυτόν το λόγο γίνεται και η χρήση του στους μετρητές που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτή την Διπλωματική, οι οποίοι στέλνουν ένα μικρό πακέτο δεδομένων από το οποίο εξάγεται η μέτρηση. Μια σύγκριση των τριών πρωτοκόλλων φαίνεται στον παρακάτω πίνακα (Πίνακας 3.1). Zigbee Bluetooth Wi - Fi Εμβέλεια μέτρα 10 μέτρα 100 μέτρα Ρυθμός μετάδοσης δεδομένων 20, 40, 250 Kbits/sec 1 Mbits/sec 11, 54 Mbits/sec Κατανάλωση ισχύος Πολύ χαμηλή (είναι ο Μέση στόχος του πρωτοκόλλου) Πολυπλοκότητα Χαμηλή σχεδιασμού Εύρος ζώνης Υψηλή Υψηλή Υψηλή 868, 928 MHz, 2.4 GHz 2.4 GHz 2.4, 5 GHz Πίνακας 3.1 Σύγκριση Πρωτοκόλλων Το δίκτυο ZigBee το οποίο χρησιμοποιείται στην συγκεκριμένη εργασία λειτουργεί στα 2.4 GHz. Αποτελείται από έναν κεντρικό διαχειριστή (PAN Coordinator) και από τερματικές συσκευές (End 35

39 3. Η συσκευή μέτρησης Devices). Η τοπολογία δικτύωσης είναι αυτή του αστέρα (εικ. 3.3). Για την επίτευξη της χαμηλής κατανάλωσης δίνεται στον σχεδιαστή του δικτύου η δυνατότητα να επιλέξει μεταξύ δύο τύπων συσκευών. Μια συσκευή, οπότε, μπορεί να είναι είτε συσκευή με πλήρεις λειτουργίες (FFD Full Function Device), είτε συσκευή με περιορισμένες λειτουργίες (RFD Reduced Function Device). Η δυνατότητες της καθεμίας φαίνονται στον παρακάτω πίνακα (Πίνακας. 3.2). εικ. 3.3 Τοπολογία αστέρα Reduced Function Device Χρήση μόνο σε τοπολογία αστέρα Full Function Device Χρήση σε οποιαδήποτε τοπολογία Δεν μπορεί να είναι ο συντονιστής (Coordinator) Μπορεί να είναι ο συντονιστής (Coordinator) του του δικτύου δικτύου Επικοινωνεί μόνο με (Coordinator) του δικτύου τον συντονιστή Επικοινωνεί με οποιαδήποτε άλλη συσκευή (είτε FFD είτε RFD) Μπορεί να λειτουργήσει και με μπαταρία Απαιτεί περισσότερη ισχύ απ' ότι μια RFD (ελάχιστη κατανάλωση) Πίνακας 3.2 Συσκευές FFD και RFD Ο συντονιστής (PAN Coordinator) είναι συσκευή με πλήρεις λειτουργίες (FFD Full Function Device) γεγονός που του δίνει την δυνατότητα να επικοινωνεί με όλες τις υπόλοιπες συσκευές του δικτύου. Αντίθετα η κάθε τερματική συσκευή (End Device) είναι συσκευή με περιορισμένες λειτουργίες (RFD Reduced Function Device), ως εκ τούτου επικοινωνεί αποκλειστικά με τον συντονιστή. Θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί οποιαδήποτε άλλη τοπολογία δικτύωσης, όμως στην συγκεκριμένη περίπτωση κάθε μετρητής (End Device) στέλνει τα δεδομένα στον συντονιστή ο οποίος συνδέεται σε κάποιον υπολογιστή μέσω USB. Μια επικοινωνία μεταξύ των συσκευών χωρίς την χρήση του συντονιστή, δηλαδή αν είχε χρησιμοποιηθεί τοπολογία πλέγματος, δεν θα είχε να προσφέρει τίποτα περισσότερο στην ορθή λειτουργία του συστήματος. 36

40 4. Διαδίκτυο των Αντικειμένων και Μεγάλου Όγκου Δεδομένα (Internet Of Things & Big Data) 37

41 4. Διαδίκτυο των Αντικειμένων και Μεγάλου Όγκου Δεδομένα (Internet Of Things & Big Data) 4.1 Διαδίκτυο των Αντικειμένων (Internet Of Things) Το διαδίκτυο βρίσκεται συνεχώς σε ανάπτυξη. Οι άνθρωποι οι οποίοι εξυπηρετούνται μέσω αυτού συνεχώς πολλαπλασιάζονται. Ταυτόχρονα, τα τελευταία χρόνια, μπαίνουν στην αγορά όλο και περισσότερες έξυπνες συσκευές. Συσκευές δηλαδή οι οποίες είναι συνδεδεμένες στο διαδίκτυο και μεταφέρουν πληροφορίες. Αυτή η εξέλιξη αλλάζει το διαδίκτυο, από ένα μεγάλο δίκτυο συνδεδεμένων υπολογιστών, σε ένα ακόμα μεγαλύτερο δίκτυο μέσω του οποίου συνδέονται διαφόρων ειδών διαφορετικά αντικείμενα, από ηλεκτρικές συσκευές, μέχρι τρόφιμα και είδη ευρείας κατανάλωσης. Το νέο αυτό μοντέλο ονομάζεται Διαδίκτυο των Αντικειμένων (Internet of Things) [12] [13]. Τα αντικείμενα τα οποία θα συνδέονται μεταξύ τους θα έχουν ως σκοπό την συλλογή πληροφοριών σε σχέση με το περιβάλλον τους. Αυτές οι πληροφορίες μπορούν να επεξεργαστούν, ή κατευθείαν να οδηγήσουν μια άλλη συσκευή να πάρει κάποια απόφαση. Ένα απλό παράδειγμα είναι καλάθια τροφίμων με αισθητήρες θερμοκρασίας, τα οποία σε περίπτωση ανάγκης ενημερώνουν το κλιματιστικό να ανοίξει, ή τον καταναλωτή να προβεί σε κατάλληλες ενέργειες. Η χρήση εφαρμογών που υπάγονται στην κατηγορία του Διαδικτύου των Αντικειμένων αναμένεται να συνεισφέρει σημαντικά στην βελτίωση της ποιότητας ζωής. Ένα άλλο παράδειγμα είναι αισθητήρες οι θα υπάρχουν στα φάρμακα. Ο καταναλωτής θα μπορεί να ενημερώνει για την δοσολογία, και στην περίπτωση που ο αισθητήρας αντιληφθεί λάθος χρήση, να ενημερώνει κάποιον συγγενή ή κάποιο νοσοκομείο για την αποφυγή προβλημάτων. Ένα ακόμα παράδειγμα είναι η διασύνδεση οχημάτων. Σε αυτή την περίπτωση η τεχνολογία μπορεί να βοηθήσει όχι μόνο τον χρήστη, καθώς μπορεί να τον ενημερώνει για συντομότερες διαδρομές συναρτήσει της υπάρχουσας κυκλοφοριακής συμφόρησης, αλλά και την κοινωνία καθώς θα μπορεί να ελέγχεται η απελευθέρωση ρύπων. Είναι λοιπόν προφανές ότι η διασύνδεση αντικειμένων μπορεί με σωστή χρήση και κατάλληλα εργαλεία να βελτιώσει την ποιότητα ζωής και να βρει πάρα πολλές εφαρμογές. Για την σωστή ανάπτυξη του Διαδικτύου των Αντικειμένων πρέπει να δοθεί έμφαση σε τρία σημεία. Αρχικά στο γεγονός ότι δεν πρέπει να θεωρηθεί ως επέκταση του έως τώρα υπάρχοντος διαδικτύου, αλλά ως μια νέα τεχνολογία, ως ένα δίκτυο στο οποίο είναι συνδεδεμένα, ανεξάρτητα μεταξύ τους συστήματα, τα οποία λειτουργούν αυτόνομα, με σκοπό την ανταλλαγή πληροφοριών. Επίσης οι εφαρμογές και τα πρότυπα τα οποία θα υπηρετήσουν την νέα αυτή τεχνολογία, θα πρέπει να είναι συμβατά με το ήδη υπάρχον διαδίκτυο. Τέλος πρέπει να σημειωθεί ότι τα ήδη υπάρχοντα πρωτόκολλα δεν είναι αρκετά για την υποστήριξη του Διαδικτύου των Αντικειμένων, καθώς πλέον δεν είναι διασυνδεδεμένα μόνο υπολογιστές και κινητά τηλέφωνο, αλλά μια πληθώρα συσκευών. Γι αυτό το 38

42 4. Διαδίκτυο των Αντικειμένων και Μεγάλου Όγκου Δεδομένα (Internet Of Things & Big Data) λόγο έχουν ήδη αναπτυχθεί, και εξελίσσονται συνεχώς πρωτόκολλα για επικοινωνία μεταξύ διαφορετικών μηχανών (machine to machine communication M2M). Η διάδοση του Διαδικτύου των Αντικειμένων εξαρτάται όπως είναι φυσικό από πολλούς παράγοντες. Ένας από τους κυριότερους είναι ο παράγοντας της έκτασης που έχει πάρει το σημερινό Διαδίκτυο καθώς και η ραγδαία τεχνολογική εξέλιξη των διασυνδεδεμένων συσκευών. Είναι γεγονός ότι ο αριθμός των συσκευών που είναι ήδη διασυνδεδεμένες αυξάνεται καθημερινώς, ενώ το μέγεθός τους μειώνεται δραματικά, πολλές φορές τόσο πολύ, που δεν γίνονται ορατές από το ανθρώπινο μάτι. Η διασύνδεση τέτοιων συσκευών και η επικοινωνία μεταξύ τους, η οποία θα πρέπει να καθοδηγείται από συγκεκριμένα πρωτόκολλα, δεν είναι εύκολο πολλές φορές να καθοριστεί πλήρως. Ένα άλλο θέμα είναι κι αυτό της φορητότητας (mobility). Με τον όρο αυτόν περιγράφεται το γεγονός ότι οι διασυνδεδεμένες συσκευές χρησιμοποιούν ασύρματα μέσα επικοινωνίας (wireless communication) και βρίσκονται συνήθως σε κίνηση (για παράδειγμα έξυπνα κινητά τηλέφωνα, φορητοί υπολογιστές). Το πρόβλημα με τις συσκευές αυτές είναι ότι καθώς είναι δύσκολο να εντοπιστεί πλήρως η θέση τους, πρέπει να καθοριστούν ειδικά διαμορφωμένα πρωτόκολλα για την ασφαλή αποστολή και λήψη δεδομένων μεταξύ τους. Τέλος, έναν επίσης σημαντικός παράγοντας είναι αυτός της «ετερογενής φύσης και πολυπλοκότητας» των διασυνδεδεμένων συσκευών, ο οποίος αναφέρθηκε παραπάνω. Το Διαδίκτυο των Αντικειμένων σχεδιάζεται με τρόπο που να επιτρέπει την διασύνδεση πολλών διαφορετικών μεταξύ τους συσκευών. Το γεγονός αυτό δημιουργεί μία πρόκληση για τους δημιουργούς του, οι οποίοι θα πρέπει να επικεντρωθούν σε θέματα συμβατότητας αλλά και να απαντήσουν σε ερωτήματα, όπως παραδείγματος χάριν στο ποιες συσκευές έχει νόημα να συνδεθούν μεταξύ τους. Τέλος, ιδιαίτερη αναφορά πρέπει να γίνει στην πρόκληση που δημιουργείται με την ανάπτυξη αυτού του νέου μοντέλου Διαδικτύου. Καθώς, όπως αναφέρθηκε, όλο και περισσότερες συσκευές έχουν την δυνατότητα να παρέχουν τις πληροφορίες που έχουν συλλέξει στο Διαδίκτυο. Ο όγκος λοιπόν, των δεδομένων που υπάρχουν για επεξεργασία αυξάνεται συνεχώς. Επίσης οι πληροφορίες αυτές που είναι προς επεξεργασία είναι διαφορετικής μορφής, και αποθηκευμένες σε διαφορετικά σημεία. Τα γεγονότα αυτά, σε ορισμένες περιπτώσεις καθιστούν τα υπάρχοντα εργαλεία ανάλυσης δεδομένων μη ικανά να εξάγουν συμπεράσματα. Για τον λόγο αυτόν, ξεκίνησε να χρησιμοποιείται ο όρος Μεγάλα Δεδομένα, ή Μεγάλου Όγκου Δεδομένα (Big Data) με σκοπό την περιγραφή δεδομένων με τα συγκεκριμένα χαρακτηριστικά. 4.2 Μεγάλου Όγκου Δεδομένα (Big Data) Τα δεδομένα, οποιασδήποτε μορφής, αποτελούν αναπόσπαστο κομμάτι της επιστήμης της 39

43 4. Διαδίκτυο των Αντικειμένων και Μεγάλου Όγκου Δεδομένα (Internet Of Things & Big Data) πληροφορικής, σχεδόν από την αρχή της. Ως εκ τούτου, με την ανάλυσή τους, εξάγονται χρήσιμα συμπεράσματα, για όποιο θέμα θέλει ο ερευνητής. Τα τελευταία χρόνια, με την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών και εφαρμογών, όπως η εξάπλωση των κοινωνικών δικτύων, η εκτεταμένη χρήση έξυπνων συσκευών, η δυνατότητα εγκατάστασης αισθητήρων και άλλα, ο όγκος και η μορφή των δεδομένων έχει αλλάξει δραματικά. Ταυτόχρονα αλλάζει ριζικά και ο τρόπος ανάλυσης των δεδομένων, καθώς εκτός της αύξησης του όγκου, άλλαξε και ο τρόπος αποθήκευσης τους. Τα δεδομένα δεν είναι πλέον αποθηκευμένα με την οργάνωση που ήταν, και η δομή τους είναι πολύ διαφορετική. Το γεγονός αυτό, επέφερε μεγάλες αλλαγές στον τρόπο με τον οποίο αντιλαμβάνονται την λήψη αποφάσεων οι εταιρίες και οι οργανισμοί. Πλέον, τις περισσότερες φορές, αντί να αναπτύσσουν μοντέλα, ξεκινούν από την ανάλυση των δεδομένων που κατέχουν, τα συνδυάζουν με αλλά που συλλέγουν από διάφορες πηγές και τα μοντέλα προκύπτουν αυτόματα με τη μορφή προτύπων. Είναι λοιπόν λογικό ότι οι όροι Μεγάλου Όγκου Δεδομένα (Big Data) και Ανάλυση Δεδομένων (Big Data Analytics) βρίσκονται πλέον στο επίκεντρο των δραστηριοτήτων των τμημάτων πληροφορικής εταιριών και οργανισμών. Ένας απλός ορισμός που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την περιγραφή του όρου είναι ο εξής: Είναι η διαχείριση, η ανάλυση και η εξόρυξη δεδομένων ανεξαρτήτως του μεγέθους τους, της μορφής τους και της ταχύτητας με τα οποία παράγονται [14]. Όπως φαίνεται από την παραπάνω πρόταση, ο όρος Μεγάλου Όγκου Δεδομένα, δεν αφορά μόνο στο μέγεθος των δεδομένων, αλλά περιλαμβάνει ένα σύνολο διαδικασιών που απαιτούν γνώσεις πληροφορικής, στατιστικής, εκμάθηση μηχανής (machine learning) και διοίκησης επιχειρήσεων. Τα Μεγάλα Όγκου Δεδομένων χαρακτηρίζονται από τα 3Vs: Volume (Όγκος), Variety (Ποικιλία), Velocity (Ταχύτητα). Ο μεγάλος όγκος (Volume) χαρακτηρίζει τις μοντέρνες εφαρμογές και τεχνολογίες. Επίσης τα δεδομένα μπορεί να είναι οποιασδήποτε μορφής (κείμενο, εικόνα, ήχος, βίντεο) γι αυτό και η ποικιλία (Variety). Τέλος η παραγωγή δεδομένων μπορεί να γίνεται με πολύ υψηλούς ρυθμούς (κοινωνικά δίκτυα, αισθητήρες), και ταυτόχρονα η εξαγωγή συμπερασμάτων πρέπει να γίνεται με μεγάλη ταχύτητα (Velocity). Στην εικόνα (εικ. 4.1) φαίνεται μια καλή περιγραφή των χαρακτηριστικών αυτών. 40

44 4. Διαδίκτυο των Αντικειμένων και Μεγάλου Όγκου Δεδομένα (Internet Of Things & Big Data) εικ. 4.1 τα 3Vs των Μεγάλου Όγκου Δεδομένων [14] Η διαχείριση των Δεδομένων αυτών συναντά πρακτικές δυσκολίες εάν γίνει με τους κλασσικούς τρόπους ανάλυσης δεδομένων, και το γεγονός αυτό οδήγησε στην δημιουργία και στη συνεχή ανάπτυξή μιας νέας γενιά συστημάτων, μοντέλων και προγραμματιστικών εργαλείων που επιτρέπουν την παράλληλη επεξεργασία δεδομένων σε μεγάλη κλίμακα. Λόγω της ραγδαίας ανάπτυξης της συγκεκριμένης τεχνολογίας, οι ερευνητές οι οποίοι ασχολούνται με το αντικείμενο αυτό γίνονται όλο και περισσότερο απαραίτητοι. Το υπόβαθρο ενός τέτοιου επιστήμονα πρέπει να έχει γενικές γνώσεις και ικανότητες πάνω σε διάφορα αντικείμενα. Καταρχάς, πρέπει να έχει πολύ καλή γνώση των θεμάτων που αφορούν στην διαχείριση δεδομένων. Αυτή περιλαμβάνει την μοντελοποίηση, τις γλώσσες ερωτημάτων ανάκτησης δεδομένων, την επεξεργασία, την αποθήκευση και την ενοποίηση δεδομένων. Πρέπει επίσης να έχει το κατάλληλο μαθηματικό υπόβαθρο ώστε να μπορέσει να κατανοήσει και να χρησιμοποιήσει σωστά τις στατιστικές μεθόδους και τις τεχνικές για εκμάθηση μηχανών (machine learning). Τέλος θα πρέπει να παρακολουθεί συνεχώς τις εξελίξεις στον χώρο της τεχνολογίας και να είναι σε θέση να γνωρίζει τον τρόπο με τον οποίο πρέπει να επεξεργαστούν τα δεδομένα προς όφελος της εκάστοτε εργασίας του. Στην εικόνα (εικ. 5.2) παρουσιάζονται συνοπτικά οι βασικοί τομείς γνώσης ενός επιστήμονα στο συγκεκριμένο πεδίο. 41

45 4. Διαδίκτυο των Αντικειμένων και Μεγάλου Όγκου Δεδομένα (Internet Of Things & Big Data) εικ. 4.2 Βασικοί τομείς γνώσης του επιστήμονα της ανάλυσης δεδομένων[14] 4.3 Παραδείγματα Διαδικτύου των Αντικειμένων Στο συγκεκριμένο υποκεφάλαιο θα αναφερθούν κάποια παραδείγματα εφαρμογής της νέας τεχνολογίας του Διαδικτύου των Αντικειμένων Παράδειγμα Στις Μεταφορές Μια χρήση της τεχνολογίας αυτής με σαφή αποτελέσματα μπορεί να εφαρμοσθεί στις μεταφορές. Έστω ότι στα μέσα μαζικής μεταφοράς χρησιμοποιούνται εφαρμογές με τις δυνατότητες που έχουν αναφερθεί. Τα οφέλη σε αυτή την περίπτωση θα είναι πολλαπλά. Αρχικά οι υπεύθυνοι των δρομολογίων θα είναι σε θέση να γνωρίζουν ανά πάσα στιγμή την ακριβή θέση του κάθε οχήματος, τα εισιτήρια που χρησιμοποιούνται, ζωντανή εικόνα αν χρειαστεί και άλλα. Μπορούν επίσης να προβάλλονται στα οχήματα διαφορετικές διαφημίσεις ανάλογα με την τοποθεσία που βρίσκεται το όχημα. Από την άλλη πλευρά οφέλη θα έχει και ο χρήστης των μέσων αυτών. Μπορεί να δέχεται μήνυμα λίγο πριν φτάσει το όχημα στην στάση που τον ενδιαφέρει, να ενημερώνεται άμεσα για τυχόν καθυστερήσεις και να του προτείνονται οι εναλλακτικές επιλογές που έχει. Άλλη δυνατότητα που υπάρχει είναι η χρήση της τεχνολογίας αυτής για την στάθμευση αυτοκινήτων. Ο οδηγός θα είναι σε θέση να γνωρίζει εάν υπάρχει ελεύθερη θέση και το που βρίσκεται αυτή. Με αυτόν τον τρόπο προσφέρεται οικονομία στον χρήστη, καθώς θα διανύει λιγότερα χιλιόμετρα. Επίσης από την πλευρά του, ο φορέας που προσφέρει ή εκμεταλλεύεται τις θέσεις στάθμευσης, θα είναι σε θέση να γνωρίζει ανά πάσα στιγμή τον χρόνο που είναι σταθμευμένο κάποιο όχημα και θα του δίνεται η δυνατότητα για ευκολότερο έλεγχο των οδηγών, αν δηλαδή έχουν προμηθευτεί το κατάλληλο 42

46 4. Διαδίκτυο των Αντικειμένων και Μεγάλου Όγκου Δεδομένα (Internet Of Things & Big Data) εισιτήριο στάθμευσης. Επίσης μια γενικότερη εφαρμογή είναι η χρήση πολλών αισθητήρων σε κάθε όχημα. Με αυτόν το τρόπο είναι δυνατή η επικοινωνία μεταξύ οχημάτων με σκοπό την αποφυγή ατυχημάτων, την ενημέρωση για κυκλοφοριακές συμφορήσεις και άλλα. Επίσης οι αρμόδιες αρχές, μέσω της επεξεργασίας των δεδομένων που αντλούνται από όλα τα οχήματα, θα είναι σε θέση να αναγνωρίζουν με ταχύτητα πιθανές φθορές του οδοστρώματος, και να προβαίνουν σε ενέργειες προς την αποκατάστασή τους Παράδειγμα στην εκπαίδευση Στην εκπαίδευση οι δυνατότητες που δίνονται αφορούν κυρίως στην ασφάλεια των μαθητών και στην καλύτερη εκμετάλλευση των εκπαιδευτικών πόρων, όπως παραδείγματος χάριν μια βιβλιοθήκη. Στην πόλη Οσάκα της Ιαπωνίας ήδη όλοι οι μαθητές δημοτικών σχολείων έχουν εφοδιαστεί με ειδικά ολοκληρωμένα κυκλώματα μέσω των οποίων δίνεται η δυνατότητα στις σχολικές αρχές να γνωρίζουν ανά πάσα στιγμή την θέση των μαθητών [15]. Αυτό το μέτρο έχει εφαρμοστεί και σε ορισμένα σχολεία της Αγγλίας όπως το Hungerhill School [16]. Είναι προφανές το γεγονός ότι η συγκεκριμένη χρήση της τεχνολογίας εγείρει ζητήματα όπως τα προσωπικά δεδομένα και η ιδιωτικότητα των μαθητών. Παρ' όλα αυτά η συγκεκριμένη αναφορά γίνεται αποκλειστικά ως παράδειγμα. Στις βιβλιοθήκες οι υπάρχοντες ετικέτες ραβδοκώδικα (barcode) των βιβλίων δίνουν την θέση τους σε ολοκληρωμένα κυκλώματα τεχνολογίας ταυτοποίησης μέσω ραδιοσυχνοτήτων (RFID). Οι ετικέτες RFID που τοποθετούνται μπορούν να περιέχουν αναγνωριστικές πληροφορίες για το βιβλίο ή το αντικείμενο (όπως ο τίτλος του, η περιγραφή του, ο συγγραφέας του, το έτος έκδοσής του) χωρίς να είναι αναγκαία η επικοινωνία με μία βάση δεδομένων, όπως γίνεται με τους ραβδοκώδικες. Οι πληροφορίες αυτές ανακτώνται με την χρήση μιας συσκευής ανάγνωσης RFID. Η τεχνολογία προσφέρει περισσότερες δυνατότητες διαχείρισης των αντικειμένων από τους εργαζόμενους στις βιβλιοθήκες. Ένα σημαντικό όφελος της χρήσης του RFID είναι η ταχύτητα ανάκτησης πληροφοριών από ένα βιβλίο, χωρίς να είναι απαραίτητη η μετακίνησή του από το σημείο στο οποίο βρίσκεται, όπως παραδείγματος χάριν ένα ράφι. Επίσης, σε σχέση με την ήδη υπάρχουσα τεχνολογία του ραβδοκώδικα, η τεχνολογία RFID υπερτερεί, αφού δίνει την δυνατότητα της άντλησης των πληροφοριών από τις RFID ετικέτες συνεχόμενα κι εν κινήσει (με τους ραβδοκώδικες θα πρέπει να διαβαστεί ο κάθε κωδικός ξεχωριστά κι όχι εν κινήσει) και συνεπώς, πληροφορίες για ολόκληρα ράφια βιβλιοθηκών μπορούν να ανακτηθούν σε δευτερόλεπτα, χωρίς την μετακίνηση κανενός βιβλίου. Επίσης διαδικασίες, 43

47 4. Διαδίκτυο των Αντικειμένων και Μεγάλου Όγκου Δεδομένα (Internet Of Things & Big Data) όπως για παράδειγμα, η διαδικασία του ελέγχου για το εάν όλα τα βιβλία που φαίνονται στο σύστημα είναι όντως στην βιβλιοθήκη, θα μπορούσαν να γίνουν αυτόματα, με την χρήση ενός κυλιόμενου πάγκου κι ενός RFID αναγνώστη. 4.4 Εφαρμογές στο Έξυπνο Δίκτυο Ενέργειας Στη συγκεκριμένη εργασία επιτυγχάνεται η λήψη δεδομένων κατανάλωσης από μια μια συσκευή μέτρησης,η αποθήκευσή τους σε ένα εξυπηρετητή και η παρουσίασή τους μέσω μιας ιστοσελίδας. Δεν αναλύεται κάποια τεχνική ανάλυσης των δεδομένων αυτών και εξαγωγής συμπερασμάτων. Παρ' όλα αυτά κρίνεται σκόπιμο να αναφερθούν πιθανές εφαρμογές που θα εκμεταλλεύονται την εργασία αυτή καθώς και γενικότερες χρήσεις του Διαδικτύου των Αντικειμένων στα Έξυπνα Δίκτυα Ενέργειας. Έστω λοιπόν ότι γίνεται εγκατάσταση των απαραίτητων στοιχείων και λογισμικού σε ένα συγκεκριμένο οικοδόμημα. Στη συνέχεια με την ανάλυση των δεδομένων που αντλούνται, τα οποία αφορούν σε συνολική κατανάλωση του κτηρίου αλλά και σε μερικές καταναλώσεις, μπορούν να εξαχθούν χρήσιμα συμπεράσματα. Ένα βασικό είναι η παρουσίαση στον χρήστη του τρόπου που καταναλώνει ενέργεια, δηλαδή το πότε καταναλώνει την περισσότερη καθώς και την συμπεριφορά του τις ώρες αιχμής. Με αυτόν τον τρόπο ο καταναλωτής ευαισθητοποιείται και έχοντας ως σκοπό την οικονομία οδηγείται σε μια περισσότερο πράσινη συμπεριφορά. Στην περίπτωση που το συγκεκριμένο κτήριο υπάγεται σε οικιακό τιμολόγιο, τότε ανάλογα με το σύνολο της ενέργειας που έχει καταναλωθεί αλλάζει και η τιμή της μιας κιλοβατώρας. Οπότε στην περίπτωση που ο καταναλωτής βρίσκεται με τις υπάρχουσες καταναλώσεις κοντά στο να αλλάξει κλίμακα χρέωσης, η ενημέρωσή του μπορεί να οδηγήσει σε μείωση συνολικής κατανάλωσης και κόστους. Επίσης ο καταναλωτής ενημερώνεται κατά την διάρκεια της περιόδου χρέωσης για την κατανάλωσή του και μπορεί να προγραμματίσει καλύτερα την χρήση ηλεκτρικής ενέργειας. Σημαντικό όφελος που έχει επίσης ο καταναλωτής είναι ο απομακρυσμένος έλεγχος ορισμένων συσκευών. Μπορεί για παράδειγμα να ανάψει κάποιο φως, ενώ βρίσκεται μακριά από το σπίτι, με σκοπό την αποφυγή κλοπής, ή μπορεί πριν γυρίσει στην οικία του να ανάψει τον θερμοσίφωνα κερδίζοντας πολύτιμο χρόνο. Στην περίπτωση που ο καταναλωτής δεν είναι οικιακός χρήστης, αλλά έχει κάποια βιομηχανία, τότε ο τρόπος τιμολόγησης από τον φορέα παροχής ηλεκτρικής ενέργειας είναι διαφορετικός. Ο καταναλωτής επιβαρύνεται με περαιτέρω χρέωση βάσει της μέγιστης ζήτησης που είχε κατά την διάρκεια της περιόδου χρέωσης. Με την χρήση όμως συγκεκριμένων εφαρμογών, θα είναι σε θέση να παρακολουθεί 44

48 4. Διαδίκτυο των Αντικειμένων και Μεγάλου Όγκου Δεδομένα (Internet Of Things & Big Data) σε πραγματικό χρόνο την κατανάλωση της βιομηχανία, και ανάλογα με τις ανάγκες, να μην υπερβαίνει κατά πολύ την μέση κατανάλωση. Για παράδειγμα βαριές μηχανές μπορούν να οριστούν να εκκινούν σε διαφορετικούς χρόνους με σκοπό την διατήρηση της μέγιστης ζήτησης σε χαμηλά επίπεδα. Εκτός από την πλευρά του καταναλωτή το Διαδίκτυο των Αντικειμένων δίνει μεγάλες δυνατότητες και στους φορείς παροχής υπηρεσιών. Με κατάλληλους αισθητήρες έχουν την δυνατότητα να παρακολουθούν την κατάσταση του δικτύου σε πραγματικό χρόνο και να προβαίνουν σε ανάλογες αποφάσεις. Επίσης συλλέγοντας δεδομένα, μπορούν να προβλέπουν καταστάσεις στις οποίες αυξάνεται η ζήτηση, και δίνοντας οικονομικά κίνητρα στους καταναλωτές, να τη μειώνουν. 45

49 5. Υλοποίηση 46

50 5. Υλοποίηση 5.1 Τοπικός Υπολογιστής Στο συγκεκριμένο υποκεφάλαιο αναλύεται το πρόγραμμα που εκτελείται στον υπολογιστή που βρίσκεται ο συντονιστής του δικτύου ZigBee, μέσω του οποίου ο υπολογιστής επικοινωνεί με τις συσκευές μέτρησης. Το συγκεκριμένο πρόγραμμα είναι γραμμένο στην γλώσσα προγραμματισμού C [17] [18]. Ξεκινώντας εκτελείται η συνάρτηση initialization() η οποία πραγματοποιεί την επικοινωνία με τον USB συντονιστή (Coordinator) και στην συνέχεια βρίσκει πόσες και ποιες συσκευές μέτρησης είναι συνδεδεμένες με αυτόν. Στην συνέχεια καλείται η Receive_State() η οποία πραγματοποιεί επικοινωνία με τον εξυπηρετητή (Cloud Server) και λαμβάνει από αυτόν την επιθυμητή κατάσταση του διακόπτη του κάθε μετρητή. Μόλις επιτευχθεί η επικοινωνία [19], αποστέλλεται το μήνυμα Request_State, numbytes=send(sockfd,buf,maxdatasize-1, 0); έτσι ώστε να αντιληφθεί ο εξυπηρετητής ότι η συγκεκριμένη επικοινωνία γίνεται με σκοπό να γνωστοποιήσει την επόμενη κατάσταση του διακόπτη. Η συνάρτηση αυτή (send()) επιστρέφει τον αριθμό των bytes τα οποία στάλθηκαν ή '-1' σε περίπτωση λάθους. Το πρώτο όρισμα -sockfd- είναι το socket το οποίο χρησιμοποιείται για την αποστολή, το δεύτερο όρισμα -buf- είναι ένας δείκτης στα δεδομένα προς αποστολή, το τρίτο -MAXDATASIZE-1- είναι το μέγιστο μέγεθος δεδομένων, σε bytes, που επιτρέπεται να σταλούν, ενώ το τέταρτο -0- επιτρέπει στον χρήση να δώσει παραπάνω πληροφορίες σχετικά με τον τρόπο αποστολής των δεδομένων (όπως παραδείγματος χάριν με μεγαλύτερη προτεραιότητα) και στην συγκεκριμένη περίπτωση δεν χρησιμοποιείται. Μετά την αποστολή, πραγματοποιείται λήψη ενός πακέτου από τον εξυπηρετητή (server). numbytes=recv(sockfd,buf,maxdatasize-1, 0); Το πακέτο αυτό περιλαμβάνει μια εκ των τιμών '0', '1' ή '2', ανάλογα με την επιθυμητή κατάσταση. Αυτές οι τιμές μεταφράζονται σε κλειστός διακόπτης, ανοιχτός διακόπτης ή εναλλαγή κατάστασης διακόπτη αντίστοιχα. Αντίστοιχα με την εντολή send() η εντολή recv() επιστρέφει τον αριθμό των bytes τα οποία ελήφθησαν ενώ σε περίπτωση λάθους επιστρέφει '-1'. Το πρώτο όρισμα 47

51 5. Υλοποίηση -sockfd- είναι το socket το οποίο χρησιμοποιείται για την λήψη, το δεύτερο όρισμα -buf- είναι ένας δείκτης για το δεδομένα προς αποθήκευση, το τρίτο -MAXDATASIZE-1- είναι το μέγιστο μέγεθος δεδομένων, σε bytes, που επιτρέπεται να ληφθούν, ενώ το τέταρτο -0- όπως και στην send δίνει δυνατότητα για περισσότερες επιλογές, οι οποίες όμως στην συγκεκριμένη περίπτωση δεν χρησιμοποιούνται. Τέλος κλείνει η επικοινωνία του προγράμματος με το socket με την εντολή close(sockfd); Αφού ολοκληρωθεί αυτή η πρώτη επικοινωνία με τον εξυπηρετητή καλείται η συνάρτηση relaychange(). Η συγκεκριμένη συνάρτηση διαβάζει από την μεταβλητή στην οποία αποθηκεύτηκαν τα ληφθέντα δεδομένα την επιθυμητή κατάσταση του διακόπτη της συσκευής μέτρησης, και δίνει την αντίστοιχη εντολή στην συσκευή. Έπειτα καλείται η συνάρτηση Get_Measurement(). Η συγκεκριμένη, είναι η συνάρτηση η οποία λαμβάνει από την συσκευή τα δεδομένα και τα μετατρέπει σε μορφή κατάλληλη για αποθήκευση και παρουσίαση. Η συνάρτηση αυτή αποθηκεύει σε κατάλληλες μεταβλητές της πληροφορίες που λαμβάνονται. Αυτές είναι η μέση στιγμιαία ισχύς, η συνολική ενέργεια που έχει καταναλώσει η συσκευή μέχρι τώρα καθώς και η θερμοκρασία της πρίζας. Στη συνέχεια το πρόγραμμα εισέρχεται στον κύριο βρόγχο. Σε κάθε κύκλο γίνεται έλεγχος της ώρας. Στην περίπτωση που τα δευτερόλεπτα της ώρας δεν είναι 57, τότε απλά καλείται η Receive_State(), στην συνέχεια η Relay_change() και τέλος το πρόγραμμα περιμένει 1 δευτερόλεπτο. Με αυτόν τον συνεχή έλεγχο ο χρήστης μπορεί μέσω της ιστοσελίδας του εξυπηρετητή, με τρόπο που θα εξηγηθεί αργότερα, να αλλάξει την κατάσταση της συσκευής σε χρόνο μικρότερο του ενός δευτερολέπτου. Στην περίπτωση που δεν υπάρχει επικοινωνία με τον εξυπηρετητή τότε η Receive_State() επιστρέφει '1', '2', '3' ή '4' ανάλογα με τον τύπο του λάθους και το πρόγραμμα συνεχίζει κανονικά, χωρίς να υπάρξει κάποια αλλαγή στην κατάσταση του διακόπτη. Εάν τα δευτερόλεπτα της ώρας είναι 57 τότε ξεκινάμε την διαδικασία λήψης μέτρησης και αποστολής της στον εξυπηρετητή. Τα 57 δευτερόλεπτα επιλέχθηκαν καθώς η διαδικασία λήψης μέτρησης κρατάει περίπου τρία δευτερόλεπτα και έτσι η κάθε μέτρηση πραγματοποιείται ακριβώς στα μηδέν δευτερόλεπτα κάθε λεπτού. Καλείται λοιπόν η Get_Measurement(), η οποία όπως αναφέρθηκε αποθηκεύει τις μετρήσεις σε κατάλληλες μεταβλητές, και στη συνέχεια καλείται η Sever_Client_Actions(). 48

52 5. Υλοποίηση Η συγκεκριμένη συνάρτηση επιστρέφει '0' στην περίπτωση που όλα εκτελεστούν όπως αναμενόταν. Σε περίπτωση λάθους, ανάλογα με το είδος του λάθους επιστρέφει '1' '2' '3' ή '4'. Μόλις επιτευχθεί ή επικοινωνία με τον εξυπηρετητή ελέγχεται εάν το αρχείο προσωρινής αποθήκευσης είναι άδειο ή γεμάτο. Σε αυτό το σημείο κρίνεται σκόπιμο να γίνει ένα άλμα στην ανάλυση του κώδικά ώστε να εξηγηθεί τι είναι το συγκεκριμένο αρχείο. Στην περίπτωση που για οποιονδήποτε λόγο η επικοινωνία με τον εξυπηρετητή δεν είναι εφικτή, τα δεδομένα δεν είναι ανεκτό να χαθούν. Για αυτόν τον λόγο κάθε μέτρηση που δεν είναι δυνατό να σταλεί στον εξυπηρετητή αποθηκεύεται τοπικά σε ένα αρχείο. Μόλις αποκατασταθεί η σύνδεση, μαζί με την τελευταία μέτρηση, αποστέλλονται και όλες αυτές που βρίσκονται στο αρχείο. Στην περίπτωση λοιπόν που το αρχείο είναι άδειο το μόνο που χρειάζεται να αποσταλεί είναι η τελευταία μέτρηση. Οπότε επόμενο βήμα είναι να δημιουργηθεί η συμβολοσειρά η οποία θα αποσταλεί. Η δομή του έχει ως εξής: 'Θερμοκρασία';'Μέση στιγμιαία ισχύς';'συνολική Ενέργεια';'TIMESTAMP';'ID συσκευής';'κατάσταση διακόπτη συσκευής';'0'; Εκτός από τα πρώτα, που είναι πληροφορίες για την συσκευή, αποστέλλεται και ένα '0' στο τέλος, το οποίο ενημερώνει τον εξυπηρετητή ότι δεν θα ξαναγίνει αποστολή δεδομένων κατά την διάρκεια της υπάρχουσας σύνδεσης. Στην περίπτωση που γνωρίζουμε ότι θα αποστείλουμε ξανά μια μέτρηση, με όλες τις πληροφορίες που την συνοδεύουν, στο τέλος της συμβολοσειράς προστίθεται ένα '1'. Ο κώδικας δημιουργίας αυτής της συμβολοσειράς φαίνεται παρακάτω: sprintf (c_time_string,"%04d%02d%02d%02d%02d%02d",tm->tm_year+1900, tm->tm_mon+1, tm->tm_mday,tm->tm_hour, tm->tm_min,tm->tm_sec); sprintf(buf,"%.2f",temperature); sprintf(nextfloatstring,";%.2f",avgpower); strcat(buf,nextfloatstring); sprintf(nextfloatstring,";%.2f",energysofar); strcat(buf,nextfloatstring); 49

53 5. Υλοποίηση sprintf(nextfloatstring,";%s",c_time_string); strcat(buf,nextfloatstring); sprintf(nextfloatstring,";%02x",list->data[i]); strcat(buf,nextfloatstring); sprintf(nextfloatstring,";%d;0;",relaystate); strcat(buf,nextfloatstring); Οι εντολές που χρησιμοποιούνται είναι η sprintf() η οποία είναι η εκτύπωση μιας συμβολοσειράς σε μια μεταβλητή και η strcat() η οποία ενώνει δύο μεταβλητές τύπου συμβολοσειράς. Στην συνέχεια γίνεται και αποστολή των δεδομένων με την χρήση της εντολής send() numbytes=send(sockfd,buf,maxdatasize-1, 0); Έπειτα πραγματοποιείται λήψη από τον εξυπηρετητή της επιθυμητής κατάστασης του διακόπτη της συσκευής numbytes=recv(sockfd,buf,maxdatasize-1, 0); όπως ακριβώς και στην Receive_State(). Τέλος κλείνει η σύνδεση. Στην περίπτωση που το αρχείο προσωρινής αποθήκευσης είναι γεμάτο, και αφού έχει προηγηθεί επιτυχής σύνδεση με τον εξυπηρετητή, χρειάζεται να αποσταλεί όχι μόνο η τελευταία μέτρηση άλλα και όλες όσες είναι αποθηκευμένες στο αρχείο. Έτσι, ακολουθείται η παρακάτω διαδικασία. Αρχικά καλείται η συνάρτηση save_locally() η οποία αποθηκεύει στο αρχείο, στην τελευταία γραμμή, την τελευταία μέτρηση. Ο κώδικας της συνάρτησης είναι ο εξής: FILE *ofp; char *mode="a"; char outputfilename[]="tempfile"; ofp=fopen(outputfilename,mode); if (ofp==null) 50

54 5. Υλοποίηση { printf("error Saving Locally"); return 1; } time_t current_time; struct tm *tm; char c_time_string[14]; current_time = time(null); if (current_time == ((time_t)-1)) { printf("failure to compute the current time."); } tm=localtime(&current_time); sprintf (c_time_string,"%04d%02d%02d%02d%02d%02d",tm->tm_year+1900, tm->tm_mon+1, tm->tm_mday,tm->tm_hour, tm->tm_min,tm->tm_sec); fprintf(ofp,"%.2f;%.2f;%.2f;%s;%02x;%d;\n",temperature,avgpower,energysofar,c_time_string, list->data[i],relaystate); fclose(ofp); tempfilefull=1; Όπως φαίνεται, ανοίγει το αρχείο tempfile και στην συνέχει εκτυπώνονται σε αυτό οι πληροφορίες της μέτρησης, σχεδόν όπως και στον buf το οποίο αποστέλλεται. Η μόνη διαφορά είναι ότι όταν ετοιμάζουμε τον buf για αποστολή προσθέτουμε ένα ακόμα ψηφίο προς ενημέρωση του εξυπηρετητή για το εάν θα υπάρξει αποστολή ξανά. Στη συνέχεια ανοίγει το αρχείο tempfile, FILE *ifp; char *mode="r"; 51

55 5. Υλοποίηση char inputfilename[]="tempfile"; ifp=fopen(inputfilename,mode); if (ifp==null) { printf("error Opening Local Temp File "); return 5; } και εφόσον ανοίξει κανονικά το πρόγραμμα πραγματοποιεί μέτρηση των γραμμών του αρχείου. int lines=0; int ch; while (EOF!= (ch=fgetc(ifp))) { if (ch=='\n') { ++lines; } } Γνωρίζοντας λοιπόν τον αριθμό των γραμμών άρα και τον αριθμό των μετρήσεων προς αποστολή, για την δημιουργία του buf, δηλαδή του συμβολοσειράς που θα σταλεί, πραγματοποιούνται τα εξής: ολόκληρη η γραμμή αντιγράφεται στον buf και εάν δεν είναι η τελευταία προστίθεται σε αυτόν το '1;' προς ενημέρωση του εξυπηρετητή ότι θα υπάρξει αποστολή τουλάχιστον μίας ακόμη μέτρησης. Στην συνέχεια αποστέλλεται ο buf και επαναλαμβάνεται η διαδικασία έως ότου φτάσει το πρόγραμμα στην τελευταία γραμμή του αρχείου, όπου προσθέτει στον buf το '0;' και πραγματοποιηθεί η τελευταία αποστολή. while(fgets(buf,maxdatasize,ifp)!= NULL) { 52

56 5. Υλοποίηση lines--; buf[strlen(buf)-1]='\0'; if (lines==0) { strcat(buf,"0;"); } else { strcat(buf,"1;"); } if ((numbytes=send(sockfd,buf,maxdatasize-1, 0)) == -1) { perror("send"); return 3; } } Πριν κλείσει η σύνδεση με τον εξυπηρετητή γίνεται και λήψη της επιθυμητής κατάστασης του διακόπτη της συσκευής όπως έχει αναφερθεί και σε άλλες περιπτώσεις. numbytes=recv(sockfd,buf,maxdatasize-1, 0); Αφού ολοκληρωθεί η Server_Client_Actions() επιστρέφει μια τιμή. Αυτή είναι 0 σε περίπτωση που η επικοινωνία με τον εξυπηρετητή, η αποστολή και η λήψη δεδομένων ολοκληρώθηκαν επιτυχώς, και 1, 2, 3, 4 ή 5 σε περίπτωση λάθους. Σε περίπτωση λάθους καλείται η save_locally(), η οποία εξηγήθηκε παραπάνω πως λειτουργεί, και έτσι δημιουργείται, ή απλά συμπληρώνεται, το αρχείο προσωρινής αποθήκευσης. Τέλος σε περίπτωση που κρίνεται απαραίτητο καλείται η Realay_Change(). Αυτό συμβαίνει εάν η επιθυμητή κατάσταση του διακόπτη είναι διαφορετική από την υπάρχουσα ή όταν είναι ίση με 2, γεγονός το οποίο σημαίνει ότι πρέπει να γίνει εναλλαγή της κατάστασης. Ο τρόπος παρουσίασης των δεδομένων φαίνεται στην εικόνα (εικ.5.1). 53

57 5. Υλοποίηση εκ. 5-1 Στιγμιότυπο του προγράμματος Επίσης παρουσιάζεται το διάγραμμα ροής του συγκεκριμένου προγράμματος (διάγραμμα 5-1). διάγραμμα 5.1 Το διάγραμμα ροής του προγράμματος 54

58 5. Υλοποίηση 5.2 Εξυπηρετητής (Server) Πρόγραμμα το οποίο εκτελείται στον εξυπηρετητή (Server). Το συγκεκριμένο πρόγραμμα, το οποίο είναι γραμμένο στην γλώσσα προγραμματισμού C [17] [18], βρίσκεται σε κατάσταση αναμονής έως ότου του ζητηθεί από κάποιον πελάτη (client) μια επικοινωνία. Σε αυτή την περίπτωση γίνεται αποδοχή της σύνδεσης και στην συνέχεια ακολουθούνται κάποια βήματα με σκοπό την λήψη και αποστολή δεδομένων. Μόλις γίνει η αποδοχή της σύνδεσης, αρχικοποιείται η μεταβλητή rereceive να είναι ίση με 1. Όσο η συγκεκριμένη μεταβλητή είναι 1 το πρόγραμμα βρίσκεται σε ένα loop συνεχόμενων λήψεων. Αυτό συμβαίνει διότι στην περίπτωση που ο client επιχειρούσε σύνδεση, αλλά δεν τα κατάφερνε, τότε είναι υποχρεωμένος να στείλει στον εξυπηρετητή περισσότερες της μιας μετρήσεις. Οπότε πραγματοποιείται λήψη ενός πακέτου δεδομένων. numbytes=recv(new_fd,buf,199, 0); Όπως έχει αναφερθεί και στην ανάλυση του προγράμματος το οποίο εκτελείται στον υπολογιστή που βρίσκεται σε σύνδεση με τις συσκευές μέτρησης, το πρώτο όρισμα είναι το socket μέσω του οποίου γίνεται η λήψη δεδομένων, το δεύτερο ένας δείκτης για τα δεδομένα προς αποθήκευση, το τρίτο είναι το μέγιστο μέγεθος δεδομένων σε bytes και το τέταρτο μας δίνει περαιτέρω επιλογές για την λήψη. Αφού τα ληφθέντα δεδομένα έχουν αποθηκευτεί στον buf ελέγχεται αν αυτά ειναι το string Request_state. Ο έλεγχος αυτός γίνεται με την εντολή strcmp() η οποία δέχεται ως ορίσματα δύο μεταβλητές τύπου συμβολοσειράς, και επιστρέφει 0 στην περίπτωση που είναι ίδιες. Σε αυτήν την περίπτωση ο εξυπηρετητής πρέπει να διαβάσει την επιθυμητή κατάσταση για την συσκευή μέτρησης και στη συνέχεια να την στείλει στον client. Η κατάσταση αυτή βρίσκεται σε ένα αρχείο, το relaystate.txt. Μόλις αναγνωσθεί από το αρχείο αυτό μεταφέρεται στον buf και αποστέλλεται στον client. Στην συνέχεια η μεταβλητή rereceive γίνεται 0 και κλείνει η σύνδεση. Στην περίπτωση που τα ληφθέντα δεδομένα δεν είναι η συμβολοσειρά Request_state το πρόγραμμα αντιλαμβάνεται πως είναι μέτρηση η οποία έχει σταλεί από τον client. Η συμβολοσειρά αυτή η οποία ελήφθη, δηλαδή η μεταβλητή buf, είναι της μορφής 55

59 5. Υλοποίηση 'Θερμοκρασία';'Μέση στιγμιαία ισχύς';'συνολική Ενέργεια';'TIMESTAMP';'ID συσκευής';'κατάσταση διακόπτη συσκευής';'rereceive'; όπου το rereceive μπορεί να είναι 1 ή 0 ανάλογα με το εάν θα υπάρξει νέα αποστολή αμέσως μετά ή όχι. Οπότε πρέπει να ακολουθηθεί μια διαδικασία έτσι ώστε να αντιγραφούν τα δεδομένα στις κατάλληλες μεταβλητές. char delims[]=";"; result=strtok(buf,delims); Temperature=atof(result); result=strtok(null,delims); AvgPower=atof(result); result=strtok(null,delims); EnergySoFar=atof(result); result=strtok(null,delims); strcat(time_string,result); result=strtok(null,delims); strcat(schukoid,result); schukoid[4]='\0'; result=strtok(null,delims); relaystate=atoi(result); result=strtok(null,delims); rereceive=atoi(result); Η μεταβλητή delims ορίζεται ώστε να χρησιμοποιηθεί από την strok() η οποία σπάει τον buf σε κομμάτια. Στην συγκεκριμένη περίπτωση ο χαρακτήρας που ξεχωρίζει τα δεδομένα είναι το ερωτηματικό (;). Το πρόγραμμα λοιπόν ξεκινάει διαβάζοντας τον buf έως να βρει το πρώτο ερωτηματικό, αποθηκεύει το αποτέλεσμα σε μορφή συμβολοσειράς στην μεταβλητή result και στην συνέχεια με την χρήση της atof() το μετατρέπει σε μορφή κινούμενης υποδιαστολής και το αποθηκεύει στην μεταβλητή Temperature. Για δεδομένα που έχουν μορφή συμβολοσειράς χρησιμοποιείται η 56

60 5. Υλοποίηση εντολή strcat() ενώ για αυτά που είναι ακέραιοι χρησιμοποιείται η atoi(). Εφόσον τα δεδομένα έχουν αντιγραφεί στις κατάλληλες μεταβλητές ακολουθεί η δημιουργία ενός αρχείου, με όνομα command.sql το οποίο θα περιέχει την κατάλληλη εντολή ώστε να περαστεί η μέτρηση, με όλες τις πληροφορίες που την συνοδεύουν, στην βάση δεδομένων. Η βάση δεδομένων η οποία χρησιμοποιείται ονομάζεται database1. Είναι μια MySQL βάση και ο πίνακας στον οποίο αποθηκεύονται οι μετρήσεις έχει δημιουργηθεί από τον ακόλουθο κώδικά create table measurement (id int unsigned not null auto_increment primary key, schukoid char(5) not null, Temperature float not null, AvgPower float not null, EnergySoFar float not null, timeofmeasure timestamp not null); Για την δημιουργία του αρχείου command.sql εκτελείται το ακόλουθο κομμάτι κώδικα FILE *ofp; char *outmode="w"; char outputfilename[]="command.sql"; ofp=fopen(outputfilename,outmode); if (ofp==null) { printf("error OPENING FILE"); } fprintf(ofp,"insert into measurement (schukoid,temperature,avgpower,energysofar,timeofmeasure) values (\"%s\",%.2f,%.2f,%.2f,\"%s\");",schukoid,temperature,avgpower,energysofar,time_string); fclose(ofp); Αυτό που πρέπει να γίνει ακόμα για να περαστούν τα δεδομένα στην βάση, είναι να εκτελεστεί αυτή η εντολή. Αυτό γίνεται ως εξής: system("mysql -u user database1 < command.sql"); 57

61 5. Υλοποίηση Όπου ανοίγει η βάση δεδομένων database1 από τον χρήστη user και εκτελείται η εντολή που υπάρχει στο αρχείο command.sql. Αφού τα δεδομένα αποθηκεύτηκαν γίνεται ανάγνωση από το αρχείο relaystate.txt, και αποστολή στον client, της επιθυμητής κατάστασης του διακόπτη της συσκευής. Η διαδικασίες λήψης της μέτρησης, αντιγραφής των δεδομένων στις κατάλληλες μεταβλητές και δημιουργία και εκτέλεση της εντολής command.sql, επαναλαμβάνονται όσο η μεταβλητή rereceive είναι ίση με 1. Όταν αυτή γίνει 0, κλείνει η σύνδεση με τον client και το πρόγραμμα περνάει σε κατάσταση αναμονής νέας σύνδεσης. Επίσης παρουσιάζεται το διάγραμμα ροής του συγκεκριμένου προγράμματος (διάγραμμα 5.2). 58

62 5. Υλοποίηση διάγραμμα 5.2 Το διάγραμμα ροής του προγράμματος 59

63 5. Υλοποίηση Η Ιστοσελίδα του Εξυπηρετητή Η ιστοσελίδα του εξυπηρετητή δίνει την δυνατότητα στον χρήστη να δει και να αλλάξει την κατάσταση του διακόπτη της συσκευής μέτρησης, καθώς και να δει όλες τις μετρήσεις ή μόνο αυτές της τελευταίας ώρας. Στον εξυπηρετητή είναι εγκατεστημένος ο Apache Server [20]. Η αρχική σελίδα δημιουργείται από το index.php, και σε αυτήν ο χρήστης βλέπει τέσσερα κουμπιά και κάποιες πληροφορίες. Ένα στιγμιότυπο της οθόνης αυτής φαίνεται στην εικόνα (εικ. 5.1). εικ στιγμιότυπο αρχικής οθόνης Τα κουμπιά έχουν δημιουργηθεί από τον εξής κώδικα: 60

64 5. Υλοποίηση <form method="post" action="openrelay.php"> <input type="submit" name="openbutton" value="open Relay!" /> </form> <form method="post" action="closerelay.php"> <input type="submit" name="closebutton" value="close Relay!" /> </form> <form method="post" action="showeverything.php"> <input type="submit" name="showbutton" value="show Statistics" /> </form> <form method="post" action="showlasthour.php"> <input type="submit" name="showlastbutton" value="show Last Hour Statistics" /> </form> Σε περίπτωση που πατηθεί κάποιο από τα κουμπιά καλείται το αντίστοιχο php script. Στην περίπτωση που πατηθεί το πρώτο κουμπί, ζητείται από τον χρήστη να ανοίξει ο διακόπτης. Οπότε αυτό που πρέπει να συμβεί είναι να ανοίξει το αρχείο relaystate.txt και να περαστεί σε αυτό η τιμή 1, έτσι ώστε όταν διαβαστεί να δοθεί η εντολή να ανοίξει ο διακόπτης της συσκευής μέτρησης. Αυτό ακριβώς κάνει το openrelay.php όπως φαίνεται παρακάτω: <?php if (isset($_post['openbutton'])) { $myfile = "(Absolute_Path_of)/relaystate.txt"; $fh = fopen($myfile, 'w') or die("can't open file"); $stringdata = 1; 61

65 5. Υλοποίηση fprintf($fh,"%d;\n",$stringdata); fclose($fh); header("location:index.php"); }?> Αρχικά γίνεται έλεγχος εάν έχει πατηθεί το κουμπί, στη συνέχεια ανοίγει το αρχείο relaystate.txt, εγγράφεται σε αυτό η τιμή '1;', κλείνει το αρχείο και επιστρέφει στην αρχική σελίδα index.php. Αντίστοιχη διαδικασία ακολουθείται στην περίπτωση που πατηθεί το δεύτερο κουμπί, δηλαδή ζητήσει ο χρήστης να κλείσει ο διακόπτης. Στην περίπτωση αυτή το php script το οποίο καλείται είναι το εξής: <?php if (isset($_post['closebutton'])) { $myfile = "/home/user/relaystate.txt"; $fh = fopen($myfile, 'w') or die("can't open file"); $stringdata = 0; fprintf($fh,"%d;\n",$stringdata); fclose($fh); header("location:index.php"); }?> Η διαδικασία είναι αντίστοιχη με αυτήν του ανοίγματος του διακόπτη. Το τρίτο κουμπί δίνει στον χρήστη την δυνατότητα να δει σε έναν πίνακα όλες τις μετρήσεις που είναι αποθηκευμένες στην βάση. Το php script που εκτελείται σε αυτή την περίπτωση, δηλαδή το showeverything.php είναι το εξής: 62

66 5. Υλοποίηση <?php echo "<head>"; echo "<meta content = \"width=device-width; user-scalable=0;\" name = \"viewport\" />"; initial-scale=1.0; maximum-scale=1.0; echo "<title>statics Page</title>"; echo "</head>"; echo "<FORM METHOD=\"LINK\" ACTION=\"index.php\">"; echo "<INPUT TYPE=\"submit\" VALUE=\"Back To Main\">"; echo "</FORM>"; if (isset($_post['showbutton'])) $db=new mysqli('host','user','password','database1'); if (mysqli_connect_errno()) { echo 'error connecting to database!'; } $query="select * from measurement"; $result=$db->query($query); $num_results=$result->num_rows; echo "<body style=\"background-color:black;color:white\">"; echo "<p>number of measurements found:".$num_results."</p>"; echo "<table style=\"color:white\" border =\"4\">"; echo "<tr>"; echo "<td>id</td>"; 63

67 5. Υλοποίηση echo "<td>plugid</td>"; echo "<td>temperature</td>"; echo "<td>avgpower</td>"; echo "<td>energysofar</td>"; echo "<td>timestamp</td>"; echo "</tr>"; for($i=0;$i<$num_results;$i++) { $row=$result->fetch_assoc(); echo "<tr>"; echo "<td>"; echo htmlspecialchars(stripslashes($row['id'])); echo "</td>"; echo "<td>"; echo htmlspecialchars(stripslashes($row['schukoid'])); echo "</td>"; echo "<td>"; echo htmlspecialchars(stripslashes($row['temperature'])); echo "</td>"; echo "<td>"; echo htmlspecialchars(stripslashes($row['avgpower'])); echo "</td>"; echo "<td>"; echo htmlspecialchars(stripslashes($row['energysofar'])); echo "</td>"; echo "<td>"; 64

68 5. Υλοποίηση echo htmlspecialchars(stripslashes($row['timeofmeasure'])); echo "</td>"; echo "</tr>"; } echo "</table>"; echo "<FORM METHOD=\"LINK\" ACTION=\"index.php\">"; echo "<INPUT TYPE=\"submit\" VALUE=\"Back To Main\">"; echo "</FORM>"; echo "</body>"; $result->free(); $db->close(); }?> 65

69 5. Υλοποίηση Αρχικά δίνονται πληροφορίες για την σωστή εμφάνιση της ιστοσελίδας ανάλογα με το μέγεθος της οθόνης στην οποία προβάλλεται καθώς και ο τίτλος της σελίδας Statistics Page. Αμέσως μετά δημιουργείται ένα κουμπί το οποία δίνει στον χρήστη την δυνατότητα να επιστρέψει στην αρχική σελίδα του εξυπηρετητή. Το ίδιο κουμπί υπάρχει και στο τέλος της σελίδας. Στη συνέχεια πραγματοποιείται σύνδεση με τη βάση δεδομένων, εκτέλεση της εντολής select * from measurement και δημιουργία του πίνακα για παρουσίαση των αποτελεσμάτων. Στιγμιότυπο της οθόνης στην οποία μεταφέρεται ο χρήστης σε αυτήν την περίπτωση φαίνεται στην εικόνα (εικ. 5.2). εικ. 5.2 Στιγμιότυπο της σελίδας Statistics Page Τέλος, στην περίπτωση που ο χρήστης πατήσει το τέταρτο κουμπί, του δίνεται η δυνατότητα να δει μόνο τις μετρήσεις τις τελευταίας ώρας, εφόσον αυτές υπάρχουν. Το php script το ο ποίο καλείται είναι το showlasthour.php το οποίο είναι ακριβώς ίδιο με το showeverything.php με την μόνη διαφορά 66