Διπλωματική Εργασία της φοιτήτριας 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 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ Διπλωματική Εργασία της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Τζιόβα Δήμου Ίρις του Γεωργίου Αριθμός Μητρώου: Θέμα «ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝ ΕΛΕΓΧΟΥ ΦΟΡΤΙΩΝ ΣΕ ΕΝΣΩΜΑΤΩΜΕΝΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ» Επιβλέπων Σταύρος Κουμπιάς Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Ιούλιος 2014

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝ ΕΛΕΓΧΟΥ ΦΟΡΤΙΩΝ ΣΕ ΕΝΣΩΜΑΤΩΜΕΝΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ» Της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Τζιόβα Δήμου Ίρις του Γεωργίου Αριθμός Μητρώου: Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 15/7/2014 Ο Επιβλέπων Σταύρος Κουμπιάς Καθηγητής Ο Διευθυντής του Τομέα Ευθύμιος Χούσος, Καθηγητής

3 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝ ΕΛΕΓΧΟΥ ΦΟΡΤΙΩΝ ΣΕ ΕΝΣΩΜΑΤΩΜΕΝΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ» Φοιτήτρια: Τζίοβα Δήμου Ίρις Επιβλέπων: Σταύρος Κουμπιάς Περίληψη Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι να γίνει μια εκτίμηση και ρύθμιση τη λειτουργίας κάποιων συσκευών ενός «έξυπνου» σπιτιού σε ένα ενσωματωμένο σύστημα. Η λογική είναι να μπορεί ο χρήστης να δει ποια είναι η μέση κατανάλωση ισχύος μιας συσκευής και το αντίστοιχο χρηματικό κόστος που αναλογεί σε αυτήν, για κάποιο χρονικό διάστημα λειτουργίας της και υπολογισμού της βέλτιστης συμπεριφορά της συσκευής έτσι ώστε να επιτύχουμε την ελάχιστη δυνατή κατανάλωση. Τα φορτία τα οποία ελέγχθηκαν είναι ένα κλιματιστικό, ένα πλυντήριο και ένας θερμοσίφωνας. Η υλοποίηση έγινε σε ένα ενσωματωμένο σύστημα και δημιουργήθηκε και ένα περιβάλλον γραφικής απεικόνισης για επικοινωνία με τον χρήστη.

4 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Αρχικά θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή κ. Σταύρο Κουμπιά για την διπλωματική εργασία που μου ανέθεσε. Το θέμα ήταν πολύ ενδιαφέρον και πραγματεύεται ένα ζήτημα το οποίο έχει πόλο απήχηση στις μέρες μας, επομένως δίνει τη δυνατότητα συνέχισης και αναβάθμισης της διπλωματικής εργασίας στο μέλλον. Στη συνέχεια θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κ. Αντωνόπουλο, ο οποίος είχε την αρχική ιδέα για την θεματολογία της διπλωματικής και για την άψογη συνεργασία που είχαμε όσο χρονικό διάστημα εκπονήθηκε η διπλωματική εργασία. Η συμβολή του στην διπλωματική μου εργασία είχε καθοριστικό ρόλο καθώς με βοήθησε να αντιμετωπίσω τυχόν προβλήματα που παρουσιάστηκαν κατά την διεκπεραίωση της εργασίας μου. Επιπλέον θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κ. Μητρόπουλο και τον κ. Κωνσταντινίδη που προσέφεραν βοήθεια σε ότι πρόβλημα προέκυψε στο πρακτικό κομμάτι της διπλωματικής, που αφορούσε τον προγραμματισμό του μικροελεγκτή. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένεια μου και τους φίλους μου που όλο αυτό το διάστημα με στήριξαν και με παρότρυναν να δουλεύω όσο περισσότερο χρειάζεται με στόχο το καλύτερο δυνατό αποτέλεσμα.

5 Πίνακας περιεχομένων ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕΣΩ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΑΠΟΚΡΙΣΗΣ-ΖΗΤΗΣΗΣ (DEMAND-RESPONSE) 1.1) Ορισμός, προδιαγραφές, απαιτήσεις και χρήσεις )Παρουσίαση κυρίαρχων προτύπων )Open ADR ) Zigbee Smart Energy Profile )Low Energy Bluetooth )Έξυπνοι μετρητές )Έξυπνα δίκτυα διαχείρισης ενέργειας ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝ ΕΛΕΓΧΟΥ ΦΟΡΤΙΩΝ 2.1)Περιγραφή της εφαρμογής )Περιγραφή αλγορίθμου dijkstra )Φορτία )Dimmable ) Shiftable )Interruptible ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΝΣΩΜΑΤΩΜΕΝΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 3.1) Περιγραφή ενσωματωμένου συστήματος )Το περιβάλλον εργασίας )Μικροελεγκτής )STK )Atmel Studio ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΣΕ ΠΛΑΤΦΟΡΜΑ ΕΝΣΩΜΑΤΒΜΕΝΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 4.1)Προγραμματισμός ενσωματωμένου )Κατέβασμα κώδικα στον μικροελεγκτή )Υλοποιήση κώδικα για μικροελεγκτή )Επικοινωνία με τον έξω κόσμο... 43

6 4.2)Περιβάλλον Διεπαφή Χρήστη - Ενσωματωμένου Συστήματος ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ - ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 5.1) Αξιολόγηση αλγορίθμων ) Υλοποίηση σε dimmable φορτίο ) Υλοποίηση σε shiftable φορτίο ) Υλοποίηση σε interruptible φορτίο )Συμπεράσματα ) Αξιολόγηση περιβάλλοντος ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΒΕΛΤΙΩΣΕΙΣ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΠΡΟΕΚΤΑΣΕΙΣ 6.1)Βελτιώσεις εφαρμογής )Μελλοντικές προεκτάσεις ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 81

7 - 1 - ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕΣΩ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΑΠΟΚΡΙΣΗΣ-ΖΗΤΗΣΗΣ (DEMAND-RESPONSE) 1.1) Ορισμός, προδιαγραφές, απαιτήσεις και χρήσεις Στην εποχή μας η ανάγκη για μεγάλα ποσά ενέργειας γίνεται όλο και πιο έντονη. Οι ηλεκτρικές συσκευές αποτελούν πλέον καθημερινότητα όχι μόνο σε δημόσιες επιχειρήσεις και εταιρίες αλλά και σε σπίτια. Η ολοένα αυξανόμενη κατανάλωση της ενέργειας έχει οδηγήσει στην δημιουργία συστημάτων απόκρισης-ζήτησης με σκοπό την μείωση της κατανάλωσης, και κατά συνέπεια του χρηματικού κόστους του καταναλωτή αλλά καλύτερες συνθήκες για το περιβάλλον. Η δομή ενός δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας από την πλευρά της ζήτησης φαίνεται στην παρακάτω εικόνα (Σχήμα 1.1) Σχήμα 1.1

8 - 2 - Με την έννοια απόκριση-ζήτηση (demand response ή DR όπως θα αναφέρεται στη συνέχεια για συντομία) εννοούμε τις αλλαγές στην ηλεκτρική κατανάλωση από μεριάς των τερματικών καταναλωτών σε σχέση με την συνηθισμένη καθημερινή δραστηριότητα τους σαν απάντηση σε διάφορους εξωτερικούς παράγοντες όπως: αλλαγή στην χρηματική τιμή του ηλεκτρικού ρεύματος, ειδοποίηση από τη ΔΕΗ ότι είναι ώρα αιχμής φορτίου κ.α. Τα ηλεκτρικά συστήματα είναι μεν φτιαγμένα έτσι ώστε να μπορούν να καλύψουν και τις αιχμές του φορτίου, αλλά ο σκοπός ενός DR συστήματος είναι να αποφευχθεί η μέγιστη ζήτηση φορτίου ή να αποφευχθεί να βρεθεί το σύστημα σε οριακή κρίσιμη κατάσταση. Σε δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας, η έννοια της ανταπόκρισης στη ζήτηση (DR) είναι παρόμοια με τη δυναμική ζήτηση των μηχανισμών για τη διαχείριση της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας των πελατών της σε απάντηση με τις συνθήκες παροχής, για παράδειγμα, βάζοντας τους καταναλωτές να περιορίσουν την κατανάλωσή ηλεκτρικής ενέργειας τους σε κρίσιμες στιγμές ή ως απάντηση σε τιμές της αγοράς. Στην παρακάτω εικόνα (Σχήμα1.2) μπορούμε να δούμε πως μπορεί να επιδράσει η έννοια του Demand response στην κατανάλωση ισχύος ενός φορτίου. Σχήμα 1.2

9 )Παρουσίαση κυρίαρχων προτύπων Αυτή τη στιγμή στην αγορά εργασίας τα κυρίαρχα πρότυπα στις Demand response εφαρμογές είναι Open ADR, η χρήση του πρωτοκόλλου Zigbee και το ανερχόμενο Low Energy Bluetooth. Στις επόμενες παραγράφους θα αναλυθούν τα παραπάνω με περισσότερη ακρίβεια )Open ADR Open Automated Demand Response η αλλιώς Ανοιχτή αυτοματοποιημένη ανταπόκριση στη ζήτηση είναι μια έρευνα που γίνεται με σκοπό την διαχείριση της ενέργειας. Η συνηθισμένη χρήση είναι να στέλνει σήματα και πληροφορία στις ηλεκτρικές συσκευές με σκοπό να σταματήσουν τη λειτουργία τους σε περιόδους μεγάλης ζήτησης ενέργειας. Όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενη παράγραφο ζήτηση απόκριση (DR) είναι το πλήθος των δράσεων που λαμβάνουν χώρα για να μειωθεί το φορτίο σε περιπτώσεις που το ηλεκτρικό πλέγμα αντιδρά απρόβλεπτα με αποτέλεσμα να απειλεί το ισοζύγιο προσφοράς-ζήτησης, η όταν οι συνθήκες αγοράς είναι τέτοιες που προκύπτει αύξηση του κόστους δαπανών. Το open ADR είναι σχεδιασμένο να διευκολύνει την αποστολή και τη λήψη DR σημάτων από ένα βοηθητικό πρόγραμμα στον καταναλωτή. Στόχος είναι να μπορεί το μοντέλο να αλληλεπιδρά με το σύστημα που θέλουμε να ελεγχθεί, π.χ. ένα κτήριο η ένα βιομηχανικό σύστημα, το οποίο θα είναι προγραμματισμένο να λειτουργήσει με ένα συγκεκριμένο τρόπο σε περίπτωση που έρθει ένα DR μήνυμα, χωρίς να χρειάζεται χειροκίνητα περαιτέρω παρέμβαση. H Open Automated Demand Response (OpenADR) Alliance σχηματίστηκε τον Οκτώβριο του 2010 με σκοπό την επιτάχυνση της ανάπτυξης, υιοθέτησης και τήρησης των προτύπων OpenADR σε όλη την ενεργειακή βιομηχανία και για την παροχή κοινής γλώσσας για τους έξυπνους μετρητές. Στην παρακάτω φωτογραφία (Σχήμα 1.3) βλέπουμε μια εφαρμογή που έχει γίνει με βάση το πρότυπο Open ADR,.

10 - 4 - Σχήμα )Zigbee Smart Energy Profile Το Zigbee είναι ένα τυποποιημένο πρωτόκολλο υψηλού επιπέδου το οποίο χρησιμοποιείται για τη δημιουργία προσωπικών ασύρματων δικτύων, και αποτελείται από μικρές, χαμηλής κατανάλωσης κεραίες. Είναι βασισμένο στο πρότυπο IEEE Παρόλο που οι συσκευές Zigbee είναι χαμηλής κατανάλωσης, μπορούν να μεταδώσουν δεδομένα σε μεγάλες αποστάσεις μεταφέροντας δεδομένα μέσω ενδιάμεσων σταθμών προκειμένου να φτάσουν τους πιο απομακρυσμένους δημιουργώντας έτσι ένα δίκτυο mesh τοπολογίας (Σχήμα 1.4), δηλαδή δεν έχει κεντρικοποιημένο έλεγχο. Το ZigBee αναπτύχθηκε από την ZigBee Alliance που αποτελεί μια συνεργασία μεταξύ εταιρειών παραγωγής ηλεκτρονικού εξοπλισμού και ημιαγωγών, για την προώθηση της τεχνολογίας αυτής. Η συχνότητες λειτουργίας του zigbee είναι 868 Μhz στην Ευρώπη, 915 Μhz στην Αμερική και Αυστραλία καθώς και 2,4 Ghz παγκοσμίως στην ISM ζώνη. Ο ρυθμός μετάδοσης ποικίλει από 20 kilobits/sec στην συχνότητα των 868 Μhz σε 250 kilobits/sec στα 2,4 Ghz.

11 - 5 - Σχήμα 1.4 Στην παρακάτω εικόνα (Σχήμα 1.5) φαίνεται μια μονάδα ZigBee Σχήμα 1.5 Τα επίπεδα του πρωτοκόλλου ζεύξης δεδομένων και φυσικό είναι ορισμένα στο πρότυπο IEEE ενώ το για το υπόλοιπο πρότυπο αναπτύχτηκαν από την Zigbee Alliance άλλα τέσσερα επίπεδα, δύο ανώτερα (δικτύου, εφαρμογών) και δύο επιπλέον (αντικειμένων Zigbee συσκευών και εφαρμογών ορισμένες από τον κατασκευαστή). Η πιο σημαντική προσθήκη στο πρωτόκολλο είναι το επίπεδο αντικειμένων Zigbee συσκευών (Zigbee device objects ZDOs). Αυτές είναι υπεύθυνες για πολλές εργασίες, μεταξύ των οποίων διαχείριση των αιτήσεων για ένταξη σε δίκτυο, εντοπισμό συσκευών και ασφάλεια. Η υλοποίηση αυτή φαίνεται στην παρακάτω εικόνα (Σχήμα 1.6).

12 - 6 - Σχήμα 1.6 Το πιο βασικό χαρακτηριστικό του πρωτοκόλλου Zigbee είναι η χαμηλή κατανάλωση ισχύος και αυτό το καθιστά ιδανικό για πολλές εφαρμογές. Στην παρακάτω εικόνα (Σχήμα 1.7) φαίνεται η κατανάλωση σε σχέση με το Wi-FI. Παρατηρούμε ότι ένα κανάλι WiFi ισοδυναμεί με τέσσερα κανάλια ZigBee. Σχήμα 1.7 Το πρωτόκολλο Zigbee αποτελεί πλέον μια από τις πιο διαδεδομένες τεχνικές που χρησιμοποιούνται στα λεγόμενα «έξυπνα» σπίτια, καθώς η χαμηλή κατανάλωση ισχύος του το καθιστά ιδανικό για τέτοιου είδους εφαρμογές. Όμως ένα άλλο πρωτόκολλο αρχίζει να αναπτύσσεται, το Low Energy Bluetooth, το οποίο εισέρχεται δυναμικά στον χώρο της αυτοματοποιημένης λειτουργίας σπιτιών και άλλων εργασιακών χώρων. Το πρωτόκολλο αυτό θα αναλυθεί στην επόμενη παράγραφο.

13 )Low Energy Bluetooth Το Low Energy Bluetooth η αλλιώς Bluetooth Smart είναι ένα ασύρματο δίκτυο προσωπικής περιοχής (WPAN) το οποίο διατίθεται στο εμπόριο από την Bluetooth Special Interest Group με στόχο την χρησιμοποίηση σε καινοτόμες εφαρμογές στην υγειονομική περίθαλψη, σε γυμναστήρια, σε βιομηχανίες, στην ασφάλεια και στην οικιακή ψυχαγωγία. Σε σύγκριση με το Classic Bluetooth, το Bluetooth Smart προορίζεται να παρέχει σημαντικά μειωμένη κατανάλωση ενέργειας και το κόστος, διατηρώντας παράλληλα ένα παρόμοιο εύρος επικοινωνίας. Το Bluetooth Smart δεν είναι συμβατό με την προηγούμενη έκδοση Bluetooth, που αναφέρεται σαν Bluetooth Classic. Επομένως μια συσκευή μπορεί να υποστηρίζει ένα από τα δύο πρότυπα. Ένταξη του Bluetooth Smart με την έκδοση 4.0 του Core Specification ολοκληρώθηκε στις αρχές του Η πρώτη συσκευή με την εφαρμογή της προδιαγραφής 4.0 ήταν τα iphone 4S, που κυκλοφόρησαν τον Οκτώβριο του Μια σειρά από άλλους κατασκευαστές κυκλοφόρησε Bluetooth Smart Ready συσκευές το Το Bluetooth Smart διαφοροποιείται από το Zigbee σε διάφορα χαρακτηριστικά τους. Καταρχάς το Zigbee είναι για LAN δίκτυα ενώ το Bluetooth για PAΝ. Επομένως η εμβέλεια του Zigbee είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτήν του Bluetooth Smart. Επιπλέον λόγω της Mesh τοπολογίας που έχει το ZigBee μπορεί να έχει θεωρητικά απείρους κόμβους συνδεδεμένους στο δίκτυο του, ενώ το Bluetooth έχει συγκεκριμένο αριθμό. Στην παρακάτω εικόνα (σχήμα 1.8) φαίνονται κατηγοριοποιημένες οι διαφορές των δυο προτύπων.

14 - 8 - Σχήμα )Έξυπνοι μετρητές Σε μια τυπική κατοικία, αλλά και σε χώρους γραφείων, χρησιμοποιούμε δεκάδες συσκευές που καταναλώνουν ενέργεια, χωρίς να το σκεφτούμε και να γνωρίζουμε ακριβώς πόση ενέργεια καταναλώνεται από κάθε συσκευή. Φωτισμός, συσκευές ψυχαγωγίας, λευκές ηλεκτρικές συσκευές και κλιματισμός σε μια κατοικία, αλλά και εξοπλισμός γραφείου, κυλιόμενες σκάλες, γραμμές παραγωγής, μονάδες ψύξης σε κτίρια γραφείων είναι μόνο μερικά από τα παραδείγματα. Όλα αυτά τα εργαλεία είναι απαραίτητα, αλλά είναι χρήσιμο να ξέρουμε επίσης πόσο κοστίζει η λειτουργία τους σε καθημερινή χρήση αλλά και τι μπορούμε να κάνουμε για να μειώσουμε την ενέργεια που καταναλώνουν. Προκείμενου να επιτευχθεί αυτό χρησιμοποιούμε έξυπνους μετρητές. Έξυπνοι μετρητές είναι συνήθως μια ηλεκτρονική συσκευή η οποία καταγράφει την κατανάλωση της ηλεκτρικής ενέργειας σε διαστήματα μιας ώρας ή και μικρότερα και στέλνει τις μετρήσεις σε ένα βοηθητικό πρόγραμμα. Επιτρέπουν αμφίδρομη επικοινωνία μεταξύ του μετρητή και του κεντρικού συστήματος. Σε αντίθεση με τους οικιακούς μετρητές μπορούν να λαμβάνουν δεδομένα για απομακρυσμένη αναφορά. Ως επί το πλείστον ο όρος έξυπνοι μετρητές αναφέρεται σε μέτρηση ηλεκτρικού ρεύματος αλλά μπορεί να αναφέρεται και σε συσκευές που να καταγράφουν νερό η φυσικό αέριο.

15 - 9 - Με την χρήση αυτών των μετρητών μπορεί ο καταναλωτής να έχει πρόσβαση οποιαδήποτε στιγμή στα δεδομένα του μετρητή ακόμη και εξ αποστάσεως. Στον διαχειριστή του δικτύου παρέχει πλήθος πληροφοριών για τυχόν προβλήματα ή βλάβες, βελτιώνοντας σημαντικά τον χρόνο αντικατάστασης τους καθώς και τη δυνατότητα αποκοπής του ρεύματος και επανασύνδεσης εξ αποστάσεως. Ο μετρητής μπορεί να παρέχει πληροφορίες τόσο για το σύνολο όσο και για μεμονωμένα κομμάτια του εξοπλισμού επομένως μπορεί ο καταναλωτής να αποφύγει διαρροές ενέργειας, να ανακαλύψει υπερκαταναλώσεις ενέργειας, να αποφύγει δαπανηρές αυξήσεις ζήτησης ισχύος, ακόμα και να ελέγξει την δραστηριότητα προϊόντων εξοικονόμησης ενέργειας που μπορεί να θέλει να χρησιμοποιήσει. Με τη βοήθεια εξειδικευμένου λογισμικού, μπορεί να δει πόση ενέργεια χρησιμοποίησε, τι του κόστισε και τι κόστισε στο περιβάλλον. Μπορεί επιπλέον να παρατηρήσει την κατανάλωση και την απόδοση της ενέργειας, ανά ώρα, ημέρα ή οποιοδήποτε άλλο σενάριο τον εξυπηρετεί, καθώς επίσης και να συγκρίνει μια δεδομένη περίοδο με μια παρόμοια στο κοντινό παρελθόν. Ένας έξυπνος μετρητής φαίνεται παρακάτω σχήμα (1.9) Σχήμα 1.9

16 Ο έξυπνος μετρητής ηλεκτρικής ενέργειας είναι πολύ απλός στην εγκατάσταση και χρήση. Ένας αισθητήρας μεταδίδει ασύρματα μέσω του ειδικού πομπού ράγας, τις πληροφορίες σχετικά με την ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που χρησιμοποιεί ο εκάστοτε καταναλωτής, απεικονίζοντας τα δεδομένα σε μια ασύρματη φορητή οθόνη προβολής. Ο μετρητής (οθόνη) μετατρέπει την μετρήσιμη ενέργεια σε κιλοβατώρες, την τυπική μονάδα μέτρησης, που χρεώνει κάθε εταιρία ηλεκτρισμού και χρησιμοποιείται για τη σχετική σας χρέωση. Ο μετρητής απλά δείχνει πόσο και που χρησιμοποιούνται οι χρεωμένες μονάδες που αναγράφονται κάθε φορά στο λογαριασμό. Εισάγοντας το κόστος που χρεώνει η εταιρία ηλεκτρισμού ανά kwh, μπορείτε να δει κάποιος τι ποσό δαπανάτε άμεσα από την χρήση ηλεκτρικής ενέργειας. Έτσι μπορεί να κάνει ο χρήστης άμεσες αλλαγές στην καθημερινότητα του, ώστε να κερδίσει χρήματα, να μειώσει την δαπανούμενη ενέργεια και να βοηθήσει στη προστασία του περιβάλλοντος.h χρήση έξυπνων μετρητών συμβάλει άμεσα στην μείωση της κατανάλωσης ενέργειας και οικονομία στον λογαριασμό των καταναλωτών έως και 20%. Στην πραγματικότητα, η ενέργεια που καταναλώνουν οι συσκευές που χρησιμοποιούνται καθημερινά, δεν μπορεί να ελεγχθεί, να αξιολογηθεί ή και να συγκριθεί αφού υπάρχει μόνο ένας μηνιαίος (ή ακόμα και διμηνιαίος) λογαριασμός για όλα, επομένως οποιαδήποτε αλλαγή και να πραγματοποιηθεί, με σκοπό την εξοικονόμηση ενέργειας, θα βασίζεται μόνο σε υποθέσεις. Οι έξυπνοι μετρητές ηλεκτρικής ενέργειας, δίνουν την δυνατότητα στον καταναλωτή να μετρήσει αυτό που πριν ήταν αόρατο, καθώς και να αποκτήσει τον έλεγχο του ενεργειακού κόστους των συσκευών του. 1.4)Έξυπνα δίκτυα διαχείρισης ενέργειας Τα σύγχρονα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας αντιμετωπίζουν διάφορα θέματα. Κάποια από αυτά είναι η σχετικά χαμηλή απόδοση και οι υψηλές απώλειες, ενώ η ραγδαία αύξηση της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας αποτελεί μια από τις σημαντικότερες προκλήσεις που έχουν να αντιμετωπίσουν. Πέραν αυτού, η ανάγκη για διείσδυση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στο υπάρχον δίκτυο ώστε να μειωθούν οι περιβαλλοντικές επιβαρύνσεις εξαιτίας της εκμετάλλευσης ορυκτών καυσίμων οδηγεί σε μια νέα εποχή για τον τομέα των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας και δημιουργεί νέες προκλήσεις για την επιτυχή ενσωμάτωση τους. Επιπλέον, ένα άλλο νέο ζήτημα είναι η προώθηση των ηλεκτρικών οχημάτων (plug in hybrid electric vehicles), αφού αναμένεται να αποτελέσουν ένα επιπλέον σημαντικά μεγάλο φορτίο. Η αντιμετώπιση θεμάτων αξιοπιστίας του δικτύου, όπως τυχαία συμβάντα, αλλά και θεμάτων ασφάλειας κρίνεται επιτακτική. Όλα τα παραπάνω, οδηγούν στην εξέλιξη των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας σε μια προσπάθεια αντιμετώπισης όλων αυτών των ζητημάτων με το βέλτιστο δυνατό τρόπο. Αυτή η κατεύθυνση αναβάθμισης των υφιστάμενων δικτύων αποτελεί τα έξυπνα δίκτυα. Χαρακτηριστικό των έξυπνων δικτύων είναι η αμφίδρομη επικοινωνία μεταξύ καταναλωτών

17 και προμηθευτών ηλεκτρικής ενέργειας. Τα έξυπνα δίκτυα χρησιμοποιούν αισθητήρες, μετρητές, ψηφιακά συστήματα ελέγχου και εργαλεία ανάλυσης δεδομένων για την αυτοματοποίηση, την παρακολούθηση και τον έλεγχο της αμφίδρομης ροής ενέργειας σε όλες τις λειτουργίες από το σταθμό ηλεκτροπαραγωγής μέχρι τα σπίτια των καταναλωτών. Τα έξυπνα δίκτυα μπορούν επίσης να ενσωματώνουν ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, όπως η αιολική και η ηλιακή, και να αλληλεπιδρούν σε τοπικό επίπεδο με διανεμημένες πηγές ενέργειας ή με συνδεόμενα ηλεκτροκίνητα οχήματα. Στην παρακάτω εικόνα (Σχήμα 1.10) φαίνεται μια αναπαράσταση ενός έξυπνου δικτύου Σχήμα 1.10 Ο όρος έξυπνα δίκτυα συναντάται τουλάχιστον από το 2003, όπου και εμφανίστηκε στο άρθρο Απαιτήσεις αξιοπιστίας θα κινήσουν επενδύσεις αυτοματισμού του Michael T. Burr. Τα έξυπνα δίκτυα μπορούν επίσης να ενσωματώνουν ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, όπως η αιολική και η ηλιακή, και να αλληλεπιδρούν σε τοπικό επίπεδο με διανεμημένες πηγές ενέργειας ή με συνδεόμενα ηλεκτροκίνητα οχήματα. Βασικές διαφορές μεταξύ έξυπνου δικτύου και συμβατικού δικτύου. Το συμβατικό δίκτυο απέχει σε μεγάλο βαθμό από την έννοια του έξυπνου δικτύου. Από τη σύγκριση τους προκύπτουν σημαντικές διαφορές, κάποιες από τις οποίες περιγράφονται παρακάτω [57]. Το έξυπνο δίκτυο είναι προσαρμοστικό και έχει την δυνατότητα αυτοίασης. Εστιάζει στην πρόληψη, ανιχνεύει πιθανά προβλήματα και αποκρίνεται άμεσα χωρίς να επιδρά στον καταναλωτή. Αντιθέτως, στο συμβατικό δίκτυο υπάρχουν

18 δυσλειτουργίες που συχνά καταλήγουν σε εκτεταμένες διακοπές ρεύματος (blackout) ώστε να αποτραπούν περαιτέρω ζημιές. Οι καταναλωτές σε ένα έξυπνο δίκτυο έχουν πολλές επιλογές, είναι ενημερωμένοι και συμμετέχουν ενεργά στην αγορά ενέργειας. Το υπάρχον δίκτυο είναι ευάλωτο σε καταπονήσεις και φυσικές καταστροφές ενώ το έξυπνο δίκτυο είναι ανθεκτικό σε τέτοιους κινδύνους με ικανότητα ταχείας αποκατάστασης της βλάβης. Το επίκεντρο του συμβατικού δικτύου είναι η προσφορά αδιάλειπτης ηλεκτρικής ενέργειας χωρίς να εστιάζει σε θέματα ποιότητας της παρεχόμενης ενέργειας. Σε αντίθεση με τους στόχους ενός ευφυούς δικτύου να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις των καταναλωτών προσφέροντας υψηλής ποιότητας ηλεκτρική ενέργεια ή διαφορετικές ποιότητες σε διαφορετικές τιμές. Τα ευφυή δίκτυα διευκολύνουν όλες τις επιλογές παραγωγής (ανανεώσιμες πηγές, διανεμημένη παραγωγή) και αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας. Κάτι τέτοιο δεν συμβαίνει στο σημερινό δίκτυο κεντρικής παραγωγής όπου με δυσκολία ενσωματώνονται τα παραπάνω. Με την αξιοποίηση των τεχνολογιών πληροφορικής και επικοινωνιών, των στρατηγικών διαχείρισης και απόκρισης της ζήτησης (Demand side management/demand response) και των on-line υπηρεσιών καταφέρνει να ενισχύσει την αξιοπιστία του δικτύου. Το έξυπνο δίκτυο παρακολουθεί και καλύπτει τις ανάγκες των χρηστών, συντονίζοντας τις δυνατότητες των παραγωγών, των διαχειριστών, των δικτύων και των καταναλωτών με το ελάχιστο κόστος και επίδραση στο περιβάλλον. Η δυνατότητα ανταλλαγής πληροφοριών σε πραγματικό χρόνο επιτρέπει στους καταναλωτές να ελέγχουν την κατανάλωση τους, να εξοικονομούν ενέργεια και να αποκρίνονται σε αυξημένες τιμές ηλεκτρισμού ή σε κρίσιμα γεγονότα.

19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝ ΕΛΕΓΧΟΥ ΦΟΡΤΙΩΝ 2.1)Περιγραφή της εφαρμογής Σκοπός της παρούσας διπλωματικής ήταν να υλοποιηθεί μια εφαρμογή ελέγχου φορτίων για τα λεγόμενα έξυπνα σπίτια (smart homes) μέσω ενός ενσωματωμένου συστήματος. Η βασική ιδέα ήταν να μπορεί ο χρήστης να κάνει μια προσομοίωση της λειτουργίας αυτών των φορτίων μέσω του ενσωματωμένου και να μπορεί να δει για διάφορα σενάρια την κατανάλωση ισχύος που θα έχει και το χρηματικό κόστος και επομένως να μπορεί να δει ποιο είναι το πιο φιλικό προς το χρήστη σενάριο και ποιο προς το περιβάλλον. Αρχικά η εφαρμογή μας λαμβάνει υπόψη δύο παραμέτρους, Πρώτον την κατανάλωση ισχύος και επομένως το αντίστοιχο χρηματικό κόστος, και δεύτερον την άνεση του χρήστη. Τα δύο αυτά μεγέθη αφού υπολογιστούν πρέπει να ποσοτικοποιηθούν έτσι ώστε να μπορούν να συγκριθούν μεταξύ τους για τον τελικό υπολογισμό. Η βασική λογική στην οποία στηρίζονται οι κώδικες της διπλωματικής είναι ο αλγόριθμος Dijkstra. Στις παρακάτω ενότητες θα εξηγηθούν αναλυτικά το είδος των φορτίων που έχουμε, οι παράμετροι οι οποίες χρειάζονται για την υλοποίηση των αλγορίθμων, η υλοποίηση τους για το κάθε φορτίο, καθώς και ο παραπάνω αλγόριθμος και πώς γίνεται η ποσοτικοποίηση τους. 2.2)Περιγραφή αλγορίθμου dijkstra Ο αλγόριθμος αυτός πήρε το όνομα του από τον Ολλανδό Έντσγκερ Ντάικστρα, ο οποίος τον επινόησε το 1956 και τον δημοσίευσε το Πρόκειται για έναν αλγόριθμο εύρεσης συντομότερων διαδρομών (single-source shortest path problem) από κοινή αφετηρία σε έναν (κατευθυνόμενο ή μη) γράφο με μη αρνητικά βάρη στις ακμές. Ο αλγόριθμος του Dijkstra είναι άπληστος. Δηλαδή, σε κάθε βήμα επιλέγει την τοπικά βέλτιστη λύση, ώσπου στο τελευταίο βήμα συνθέτει μια συνολικά βέλτιστη λύση. Ο συγκεκριμένος αλγόριθμος λειτουργεί σωστά μόνο για μη αρνητικά βάρη, το οποίο συμβαδίζει με τα δεδομένα της παρούσας διπλωματικής. Σε περίπτωση ύπαρξης αρνητικών βαρών μπορούν να χρησιμοποιηθούν άλλοι πιο σύνθετοι αλγόριθμοι όπως αυτός των Bellman και Ford ή των Floyd-Warshall. Η λογική του αλγορίθμου Dijkstra είναι η εξής : Θέλουμε να ξεκινήσουμε από έναν αρχικό κόμβο και θέλουμε να φτάσουμε σε έναν τελικό. Υπάρχουν πολλές πιθανές διαδρομές καθώς υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί κόμβοι μεταξύ του αρχικού και του τελικού. Υπάρχει μια συνάρτηση βάρους ορισμένη στις ακμές του γράφου. Αυτό σημαίνει ότι για να πάμε από έναν

20 κόμβο του γράφου σε έναν άλλο, θα έχουμε κάποιο κόστος. Αρχικά κάθε κόμβος είναι σημειωμένος ως μη επεξεργασμένος και ο κόμβος τον οποίο επεξεργαζόμαστε κάθε στιγμή είναι ο τρέχων κόμβος. Από αυτόν τον κόμβο ελέγχουμε όλους τους γειτονικούς μη επεξεργασμένους κόμβους και διαλέγουμε αυτόν με την μικρότερη συνάρτηση βάρους, τον σημειώνουμε ως επεξεργασμένο και αποθηκεύουμε τον κόμβο από τον οποίο φτάσαμε σε αυτόν. Η διαδικασία επαναλαμβάνεται μέχρις ότου όλοι οι κόμβοι να έχουν επεξεργαστεί, και από τον τελικό κόμβο μας έχουμε την τελική διαδρομή με το ελάχιστο δυνατό κόστος. Όπως έχει ήδη αναφερθεί ο αλγόριθμος δεν λειτουργεί σωστά για αρνητικά βάρη. Ο λόγος που συμβαίνει αυτό είναι η σημείωση ενός κόμβου ως επεξεργασμένου. Άπαξ και εξεταστεί ένας κόμβος μετά δεν ξαναεξετάζεται επομένως όταν υπάρχουν αρνητικά βάρη μπορεί να δημιουργηθεί μια συντομότερη διαδρομή και να μην ληφθεί υπόψη. Συμπερασματικά ο αλγόριθμος του Ντάικστρα είναι άπληστος (greedy), δηλαδή σε κάθε βήμα υπολογίζει την τοπικά βέλτιστη λύση. Στο τέλος, συνθέτει τις τοπικές λύσεις και επιστρέφει μια συνολική. Στην διπλωματική θα χρησιμοποιηθεί ο προαναφερθέντας αλγόριθμος με κάποιες παραλλαγές σε κάθε από τα τρία φορτία (dimmable, shiftable, interruptible) οι οποίες θα αναλυθούν στις παρακάτω ενότητες. 2.3)Φορτία Τα φορτία που θα υλοποιηθούν ταξινομούνται σε τρεις κατηγορίες. Σε dimmable (αυξομειούμενα), shiftable (μετατοπιζόμενα) και interruptible (διακοπτόμενα). Για διευκόλυνση θα χρησιμοποιηθούν παρακάτω οι αγγλικές ορολογίες που είναι πιο γενικές. dimmable είναι τα φορτία εκείνα, τα οποία έχουν μεταβαλλόμενη κατανάλωση ισχύος, μπορούν δηλαδή με βάση την τρέχουσα κατανάλωση ενέργειας να διαχειριστούν την μελλοντική τους. Στην εφαρμογή μας το dimmable φορτίο που μελετήθηκε είναι ένα κλιματιστικό. Τα shiftable είναι τα φορτία αυτά των οποίων η λειτουργία μπορεί να μετατοπιστεί μέσα στο χώρο, αλλά από τη στιγμή που θα ξεκινήσει δεν μπορεί να διακοπεί. Το shiftable φορτίο που μελετήθηκε είναι ένα πλυντήριο. Τέλος τα interruptible φορτία μπορούν να διακόψουν τη λειτουργία τους και να την ξαναρχίσουν κάποια μελλοντική χρονική στιγμή. Στην εφαρμογή μας μελετήθηκε ένας θερμοσίφωνας ως τέτοιου είδους φορτίο. Μεμονωμένα τα αποτελέσματα της εξομοίωσης μπορεί να φαίνεται ότι δεν έχουν σημαντικές διαφορές στον χρήστη, αλλά αν κάποιος δει μια συνοπτική εικόνα της κατανάλωσης ισχύος που έχει ένα νοικοκυριό σε διάστημα ενός μήνα, θα δει ότι με μια φιλική προς την κατανάλωση ισχύος και πιο οικονομική λειτουργία των συσκευών μπορεί να επιτύχει σημαντική διαφορά στο χρηματικό κόστος.

21 )Dimmable Όπως αναφέρθηκε παραπάνω ως dimmable αποδεχόμαστε τα φορτία τα οποία έχουν αυξομειούμενη ισχύ. Το κλιματιστικό είναι ένα τέτοιο φορτίο καθώς ανάλογα με τις συνθήκες στις οποίες λειτουργεί καταναλώνει και ανάλογη ισχύ. Η χρήση των demand response αλγορίθμων έχει μεγάλη σημασία στα κλιματιστικά. Λόγω της ιδιομορφίας τους ότι έχουν μεταβαλλόμενη ισχύ τα αποτελέσματα της χρήσης των προαναφερθέντων αλγορίθμων έχουν μεγάλες επιπτώσεις στην κατανάλωση ισχύος και αντίστοιχα στο χρηματικό κόστος που επιβαρύνει τον χρήστη. Ποσοτικοποίηση κόστους άνεσης Ένα βασικό στοιχείο της εφαρμογής μας είναι το κόστος άνεσης και η ποσοτικοποίηση του. Στην παρούσα διπλωματική υιοθετήθηκε η εξής παραδοχή : Θεωρούμε ότι ο χρήστης έχει τη μέγιστη άνεση όταν η θερμοκρασία του χώρου διατηρείται σταθερή στους 21 o C σύμφωνα με το πρότυπο ISO7730. Αυτή είναι μια θερμοκρασία στην οποία ο χρήστης δεν θα νιώσει ούτε κρύο ούτε ζέστη, δηλαδή δεν θα ενοχλείται με αυτή την θερμοκρασία. Η παραδοχή αυτή δεν είναι απόλυτη, θα μπορούσαν να είχαν υλοποιηθεί και άλλες όπως για παράδειγμα να δίνει ο χρήστης την τιμή στην οποία θα κυμαίνεται σταθερά η θερμοκρασία του δωματίου (μπορεί κάποιος να θεωρεί το 21 o C αρκετά χαμηλή θερμοκρασία και να θέλει π.χ. η θερμοκρασία δωματίου να κυμαίνεται στους 25 o C.). Άλλη μια παραδοχή θα ήταν να είχε σταθερές διακυμάνσεις η θερμοκρασία του δωματίου π.χ. στους 25 o C τις πρωινές και βραδινές ώρες και στους 22 o C τις μεσημεριανές και τις απογευματινές που η εξωτερική θερμοκρασία αυξάνεται. Όταν έχουμε μηδενικό συντελεστή άνεσης, για να έχουμε τη μικρότερη κατανάλωση η θερμοκρασία του χώρου πρέπει να ακολουθεί την εξωτερική θερμοκρασία. Θα αναρωτηθεί κανένας εύλογα γιατί να θέλω σε εσωτερικό χώρο ή θερμοκρασία να κυμαίνεται κοντά στους 30 o C, επειδή έξω έχουμε π.χ. 38 o C. Υπάρχουν περιπτώσεις που κάποιος λείπει από κάποιον χώρο για εύλογο χρονικό διάστημα και δεν θέλει να τον αφήσει χωρίς ψύξη ή θέρμανση. Σε αυτές τις περιπτώσεις που δεν τον ενδιαφέρει να έχει άνεση στον χώρο αφού δεν θα βρίσκεται μέσα, μπορεί να βάλει τη συσκευή να δουλεύει με την ελάχιστη δυνατή κατανάλωση. Παράμετροι προσομοίωσης Οι συνθήκες για τις οποίες έγινε μελέτη είναι οι εξής: Έχουμε έναν εσωτερικό χώρο και θέλουμε να καθορίσουμε τη θερμοκρασία του κατά τη διάρκεια ενός χρονικού διαστήματος με βάση δυο κριτηρίων, το συνολικό κόστος και την άνεση του χρήστη. Ο χρήστης δηλώνει την τελική θερμοκρασία την οποία θέλει να έχει ο χώρος, ο οποίος θέλει να θερμανθεί ή να

22 ψυχθεί, μετά από το πέρασμα ενός συγκεκριμένου χρονικού διαστήματος και τέλος έναν παράγοντα άνεσης. Ο παράγοντας άνεσης κυμαίνεται από 0 μέχρι 1, με 0 να σημαίνει καθόλου άνεση, μας ενδιαφέρει δηλαδή μόνο να έχουμε ελάχιστη κατανάλωση και 1 να σημαίνει μας ενδιαφέρει μόνο η άνεση του χρήστη ανεξάρτητα το κόστος. Επιπλέον χρειάζονται παράμετροι θερμοκρασίας. Αυτές είναι η εξωτερική θερμοκρασία για το χρονικό διάστημα που θέλουμε, η θερμοκρασία στην οποία βρίσκεται ο χώρος την παρούσα στιγμή και η μέγιστη και η ελάχιστη θερμοκρασία που θέλουμε να μπορεί να έχει ο χώρος που κλιματίζεται. Επίσης χρειάζονται κάποιες παράμετροι του χώρου και της συσκευής που θα χρησιμοποιήσουμε. Αυτές είναι η θερμική αντίσταση του χώρου που διαμορφώνουμε την θερμοκρασία του, καθώς και η θερμική χωρητικότητα. Για την συσκευή μας χρειαζόμαστε πόση είναι η μέγιστη επιτρεπόμενη ισχύς που μπορεί να καταναλώσει σε ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Συν τοις άλλοις χρειαζόμαστε το διάστημα για το οποίο θα λειτουργήσει η εφαρμογή μας καθώς και πόσο θα είναι τα ενδιάμεσα διαστήματα στα όποια θα γίνεται μεταβολή της θερμοκρασίας. Τέλος χρειαζόμαστε την τιμή της κιλοβατώρας για ένα εικοσιτετράωρο ανά μισάωρο. Στην εφαρμογή μας έγινε μελέτη για ένα εικοσιτετράωρο, με ενδιάμεσα διαστήματα μισής ώρας. Δηλαδή το τελικό αποτέλεσμα είναι η θερμοκρασία που πρέπει να έχει το κλιματιστικό μας για σαράντα οχτώ μισάωρα. Ο χώρος για τον οποίο έγινε η μελέτη έχει θερμική αντίσταση R= 29.9 kw/ o C και θερμική χωρητικότητα C= 1.25 kwh/ o C. Η εξωτερική θερμοκρασία είναι μια τυχαία ανάλογα αν έχουμε σενάριο ψύξης ή θέρμανσης. Η συσκευή μας μπορεί να καταναλώσει μέχρι 22 kw σε ένα μισάωρο και οι θερμοκρασίες μεταξύ των οποίων θέλουμε να κυμαίνεται ο χώρος ο οποίος κλιματίζεται είναι Tmin=18 o C και Tmax= 38 o C με ενδιάμεσα διαστήματα των 2 o C. Η τιμή της κιλοβατώρας πάρθηκε από την ιστοσελίδα της ΔΕΗ και είναι ίση με και πάρθηκε μια διακύμανση από ένα αμερικάνικο πρότυπο πώς κυμαίνεται η τιμή της κιλοβατώρας σε ένα εικοσιτετράωρο. Υλοποίηση αλγορίθμου dijkstra Η βασική δομή του αλγορίθμου μας για να υλοποιηθεί η παραπάνω εφαρμογή είναι όπως αναφέρθηκε προηγουμένως ο αλγόριθμος dijkstra. Θέλουμε να ξεκινήσουμε από έναν αρχικό κόμβο, που είναι στην περίπτωση μας η αρχική εσωτερική θερμοκρασία του χώρου που διαμορφώνεται, και θέλουμε να καταλήξουμε σε έναν τελικό κόμβο, που είναι η επιθυμούμενη θερμοκρασία μετά από 24 ώρες, με το ελάχιστο δυνατό κόστος. Ο αλγόριθμος μας εξετάζει όλες τις πιθανές διαδρομές από τον αρχικό κόμβο έως τον τελικό και επιστρέφει την διαδρομή με το μικρότερο συνολικό κόστος. Οι κόμβοι φαίνονται στο παρακάτω διάγραμμα (Σχήμα 2.1). Έχουμε έναν αρχικό κόμβο την αρχική εσωτερική θερμοκρασία του χώρου, μετά για τα επόμενα σαράντα επτά διαστήματα ο χώρος μπορεί να έχει έντεκα πιθανές θερμοκρασίες, μεταξύ 18 o C και 38 o C με βήμα 2 o C και τέλος έναν τελικό κόμβο την επιθυμητή θερμοκρασία του χώρου μετά από εικοσιτέσσερις ώρες.

23 Κάθε κόμβος αντιπροσωπεύει μιας δομής (struct). Τα στοιχεία που χρειαζόμαστε για κάθε κόμβο είναι η θερμοκρασία του δωματίου, το χρηματικό κόστος, η κατανάλωση ισχύος, το κόστος άνεσης καθώς και το ενιαίο κανονικοποιημένο κόστος την εκάστοτε στιγμή. Επιπλέον χρειαζόμαστε και το συνολικό κόστος από την αρχή του αλγορίθμου μέχρι το εκάστοτε σημείο. Τέλος θέλουμε και ποιος ήταν ο προηγούμενος κόμβος από τον οποίο ήρθαμε με το χαμηλότερο κόστος Σχήμα 5.1 Η μετάβαση από μια θερμοκρασία σε μία άλλη η ισχύς υπολογίζεται από τον εξής τύπο, που προέρχεται από ένα μαθηματικό μοντέλο που υλοποιήθηκε στο πρόγραμμα Matlab. P = ( ) - (5.1) Όπου T j, T j+1 : η εσωτερική θερμοκρασία του χώρου το τωρινό και το επόμενο διάστημα αντίστοιχα T j out : η εξωτερική θερμοκρασία το τωρινό διάστημα dt : η χρονική διάρκεια μεταξύ δύο διαστημάτων R,C : η θερμική αντίσταση και χωρητικότητα αντίστοιχα του χώρου Χρειαζόμαστε το χρηματικό κόστος, το οποίο είναι το προαναφερθέν κόστος πολλαπλασιασμένο με την τιμή της κιλοβατώρας για το εκάστοτε χρονικό διάστημα. Το κόστος άνεσης το υπολογίζουμε με βάση το πρότυπο θερμικής άνεσης ISO7730 (thermal comfort standard) που προτάθηκε από (B.W Olesen 2002) και (Candas 2000). Το πρότυπο αυτό

24 υπολογίζει το κόστος άνεσης με βάση το παρακάτω διάγραμμα (Σχήμα 5.2). Όπως φαίνεται το κόστος μπορεί να πάρει τιμές μεταξύ [-3,3] όπου : Το 0 σημαίνει ούτε ζέστη, ούτε κρύο +/- 1 σημαίνει ελάχιστη ζέστη (+) ή ελάχιστο κρύο (-) +/- 2 σημαίνει ζέστη (+) ή κρύο (-) +/- 3 σημαίνει πολύ ζέστη (+) ή πολύ κρύο (-) Ανάλογα την θερμοκρασία που θέλουμε, η οποία απεικονίζεται στον άξονα Χ παίρνουμε με βάση την εξίσωση που απεικονίζει το διάγραμμα την τιμή του κόστους άνεσης, Όπως φαίνεται και στο διάγραμμα όταν βρισκόμαστε κοντά στους 21 o C περίπου το κόστος άνεσης είναι μηδέν δηλαδή η θερμοκρασία είναι ιδανική αφού ο χρήστης σε αυτή τη θερμοκρασία δεν νιώθει ούτε κρύο, ούτε ζέστη. Σχήμα 5.2 Ο αλγόριθμος χωρίζεται σε τρία μέρη: στην πρώτη μετάβαση, στις ενδιάμεσες σαράντα επτά και στην τελική μετάβαση. Στην αρχική μετάβαση έχουμε από έναν κόμβο έντεκα πιθανούς προορισμούς. Υπολογίζεται η ισχύς για την μετάβαση σε κάθε έναν από αυτούς τους κόμβους με βάση την παραπάνω εξίσωση (5.1). Ελέγχουμε εάν αυτή η μετάβαση είναι δυνατό να επιτευχθεί, δηλαδή εάν η ισχύς που απαιτείται είναι μικρότερη από τη μέγιστη δυνατή. Σε περίπτωση ψύξης έχουμε αρνητική τιμή στην ισχύ επομένως παίρνουμε την απόλυτη τιμή της. Σε περίπτωση που δεν είναι εφικτή η μετάβαση δίνουμε στο κόστος αρνητική τιμή έτσι ώστε να καταλαβαίνει ο αλγόριθμος ότι δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί αυτή η μετάβαση. Επιπλέον βρίσκουμε ποιο είναι το μεγαλύτερο και διαιρούμε όλα τα κόστη με αυτό και τη μέγιστη τιμή της κιλοβατώρας

25 έτσι ώστε να πάρουμε τα κανονικοποιημένα κόστη, το εύρος των οποίων κυμαίνεται μεταξύ 0 και 1. Η κανονικοποίηση θα γίνει σε όλους τους αλγορίθμους έτσι ώστε να μπορούμε να ποσοτικοποιήσουμε το κόστος της άνεσης και το κόστος της ισχύς σε ένα ενιαίο κόστος. Επιπλέον το κόστος αυτό πολλαπλασιάζεται με την εκάστοτε τιμή της κιλοβατώρας για το συγκεκριμένο διάστημα και διαιρείται με την μέγιστη τιμή της κιλοβατώρας κατά τη διάρκεια της ημέρας. Αυτό είναι το ποσοτικοποιημένο κόστος ισχύος, Χρειαζόμαστε επιπλέον το ποσοτικοποιημένο κόστος άνεσης, το οποίο βρίσκεται από την παραπάνω γραφική συνάρτηση (Σχήμα 5.2). Η θερμοκρασία για την οποία θέλουμε το κόστος είναι η μέση τιμή της θερμοκρασίας από την οποία μεταβαίνουμε και αυτής στην οποία θέλουμε να φτάσουμε. Το κόστος που βρίσκουμε το διαιρούμε με την μέγιστη τιμή πού είναι το τρία έτσι ώστε να πάρουμε την κανονικοποιημένη τιμή. Πλέον έχουμε και τα δύο κόστη και θέλουμε το συνολικό. Αυτό θα το υπολογίσουμε με βάση το συντελεστή άνεσης, ο όποιος όπως αναφέραμε παίρνει τιμές από μηδέν έως ένα. Το συνολικό κόστος δίνεται από την παρακάτω εξίσωση (5.2). Συνολικό_κόστος= (5.2) (κόστος_ισχύος*(1-συντελεστής_άνεσης)) +(κόστος_άνεσης*συντελεστής_άνεσης) Στις επόμενες σαράντα επτά μεταβάσεις η διαδικασία είναι λίγο διαφορετική επειδή πλέον δεν έχουμε έναν αρχικό κόμβο αλλά έντεκα. Επομένως σε κάθε μελλοντικό κόμβο υπολογίζουμε αρχικά από ποίον από τους προηγούμενους έντεκα γίνεται η μετάβαση με το χαμηλότερο συνολικό κόστος και γίνεται κανονικοποίηση με την τιμή του μεγαλύτερου κόστους μετάβασης. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται για τους υπόλοιπους δέκα κόμβους. Αυτή είναι η διαδικασία για να υπολογιστεί η μετάβαση στο επόμενο μισάωρο, η οποία με τη σειρά της επαναλαμβάνεται για τους υπόλοιπους σαράντα έξι κόμβους. Στην τελική μετάβαση η διαδικασία είναι πιο απλή. Έχουμε έναν τελικό κόμβο, την τελική θερμοκρασία που θέλει η χρήστης να έχει το δωμάτιο έπειτα από ένα εικοσιτετράωρο και έντεκα αρχικούς κόμβους. Υπολογίζουμε το συνολικό κόστος για αυτές τις μεταβάσεις και βρίσκουμε το μεγαλύτερο έτσι ώστε να κάνουμε την κανονικοποίηση. Από τις κανονικοποιημένες τιμές διαλέγουμε τη μετάβαση με το μικρότερο συνολικό κόστος. Αφού πλέον έχουν ελεγχθεί όλοι οι κόμβοι μας μπορούμε να υπολογίζουμε την συνολική διαδρομή με το ελάχιστο κόστος. Ελέγχουμε από τον τελικό μας κόμβο ποιος ήταν ο προηγούμενος και αντίστοιχα από τον προηγούμενο βρίσκουμε τον παραπροηγούμενο μέχρι να φτάσουμε στον αρχικό μας κόμβο. Με την διαδικασία που περιγράφτηκε παραπάνω έχουμε τροποποιήσει τον αλγόριθμο Dijkstra στις ανάγκες του dimmable φορτίου μας και μπορούμε να υπολογίσουμε για την περίπτωση μας (HVAC) την θερμοκρασία στην οποία πρέπει να δουλεύει η συσκευή μας για ένα εικοσιτετράωρο, με βάση τις απαιτήσεις του χρήστη για την κατανάλωση ισχύος και την άνεση, για έναν εσωτερικό χώρο του οποίου ξέρουμε τις απαραίτητες παραμέτρους του για

26 την εφαρμογή καθώς και την εξωτερική θερμοκρασία του περιβάλλοντος κατά τη διάρκεια της εφαρμογής. Διάγραμμα ροής 2.3.2)Shiftable Όπως αναφέρθηκε και σε παραπάνω παράγραφο shiftable είναι τα φορτία εκείνα που έχουν σταθερό μοτίβο ισχύς και η λειτουργία τους μπορεί να μετατοπιστεί στο χώρο. Από την στιγμή που ξεκινήσει η λειτουργία τους, δεν μπορεί να διακοπεί, πρέπει να συνεχιστεί έως ότου έρθει εις πέρας. Ένα τέτοιο φορτίο είναι το πλυντήριο το οποίο μπορεί να λειτουργήσει οποιαδήποτε στιγμή μέσα στο εικοσιτετράωρο, και από όταν ξεκινήσει η λειτουργία του δεν μπορεί να διακοπεί.

27 Σε αυτά τα φορτία δεν παρατηρούμε τόσο σημαντικές διαφορές όσο στα dimmable, ωστόσο ακόμα και αυτή η μικρή διαφορά έχει σημαντικό αντίκτυπο στο χρηματικό κόστος που επιβαρύνει τον χρήστη. Ποσοτικοποίηση κόστους άνεσης Το ερώτημα σε αυτό το φορτίο ήταν πως θα ποσοτικοποιήσουμε το κόστος άνεσης, καθώς δεν είναι τόσο ξεκάθαρο όσο στα dimmable φόρτια, που μας ενδιέφερε η ευφορία του χρήστη. Σε αυτά τα φορτία υιοθετήθηκε η εξής παραδοχή. Ότι θεωρούμε ότι έχουμε μέγιστο κόστος άνεσης όταν το φορτίο είναι έτοιμο όσον το δυνατόν νωρίτερα. Αυτή παραδοχή έγινε σκεφτόμενοι το γεγονός ότι μπορεί στο χρήστη να συμβεί κάτι και να επιστρέψει νωρίτερα σπίτι, ή να είναι ήδη στο σπίτι του, να βιάζεται και να μην θέλει να περιμένει μέχρι την στιγμή με την ελάχιστη κατανάλωση. Έτσι με την παραπάνω παραδοχή του προσφέρουμε την υψηλότερη άνεση. Παράμετροι προσομοίωσης Οι συνθήκες για τις οποίες έγινε προσομοίωση σε αυτό το φορτίο είναι οι εξής: Θέλουμε ο χρήστης να δηλώνει μέχρι ποια ώρα θέλει να έχει τελειώσει το πρόγραμμα τη λειτουργία του, και με βάση πάλι την κατανάλωση ισχύος και το επίπεδο άνεσης που θέλει ο χρήστης, να υπολογίσει ποια είναι η κατάλληλη ώρα να ξεκινήσει η να δουλεύει η συσκευή μας. Αρχικά χρειαζόμαστε κάποιες στατικές παραμέτρους για το πρόγραμμα που θα στο οποίο θα δουλέψει το πλυντήριο. Αυτές είναι πόσες ώρες χρειάζεται για να φέρει εις πέρας το εν λόγω πρόγραμμα και η αντίστοιχη κατανάλωση ισχύος σε κάθε χρονικό διάστημα που θα διαρκέσει η εφαρμογή. Επιπλέον είναι απαραίτητες η παράμετροι του χρήστη που είναι ο παράγοντας άνεσης, η χρονική στιγμή που ξεκινάει η εφαρμογή και η χρονική στιγμή που θέλουμε το πλυντήριο να έχει έτοιμα τα ρούχα. Τέλος χρειαζόμαστε την τιμή της κιλοβατώρας για ένα εικοσιτετράωρο ανά μισή ώρα. Η υλοποίηση στην παρούσα διπλωματική γίνεται για πλυντήρια που ο χρόνος λειτουργίας τους για ένα πρόγραμμα είναι τρεις ώρες (επομένως έξι μισάωρα) και η κατανάλωση ισχύος ανά μισάωρο είναι 1,5/0,5/0,2/0,2/0,3/0,1. Η τιμή της κιλοβατώρας είναι η ίδια με το προηγούμενο παράδειγμα, τα dimmable φορτία.

28 Υλοποίηση αλγορίθμου dijkstra Σε αυτή την εφαρμογή έχουμε μια διαφοροποίηση από την προηγούμενη. Ανάλογα με το τι τιμές θα δώσει ο χρήστης για έναρξη και λήξη της εφαρμογής μεταβάλλεται ο αριθμός των διαστημάτων για τα οποία υπολογίζουμε το κόστος ισχύος και άνεσης. Για τον λόγο αυτό θα χρησιμοποιηθεί δυναμική ανάθεση μνήμης (dynamic memory allocation). Έτσι ανάλογα με τις εισόδους που θα έχει ο αλγόριθμος κάθε φορά θα υπολογίζει και τα κόστη για τα αντίστοιχα διαστήματα. Η βασική εντολή που χρησιμοποιήθηκε είναι η malloc. Με αυτή την εντολή μπορούμε να δημιουργήσουμε πίνακες τόσο μονοδιάστατους όσο πολυδιάστατους, τους οποίους δεν ξέρουμε το μέγεθος παρά μόνο όταν ξεκινήσει η εφαρμογή. Επιπλέον στο συγκεκριμένο είδος φορτίου, λόγω της μη διακοπτόμενης φύσης του μας ενδιαφέρει η συνολική κατανάλωση των έξι διαστημάτων και όχι μεμονωμένα του κάθε διαστήματος. Αρχικά ο αλγόριθμος υπολογίζει πόσα είναι τα πιθανά διαστήματα από την στιγμή της έναρξης της εφαρμογής μέχρι και την λήξη. Αφού η εφαρμογή μας χρειάζεται έξι διαστήματα για να φέρει εις πέρας το πρόγραμμα πρέπει να υπολογίσουμε έπειτα πόσα είναι τα πιθανά δυνατά διαστήματα έναρξης της εφαρμογής. Το κόστος ισχύος για κάθε διάστημα είναι η τιμή της κιλοβατώρας του αντίστοιχου διαστήματος πολλαπλασιασμένη με την κατανάλωση ισχύος ανάλογα σε ποιο σημείο του προγράμματος βρισκόμαστε. Η κανονικοποιημένη τιμή δίνεται από την διαίρεση του κόστους με το μεγαλύτερο κόστος που υπάρχει σε όλα τα πιθανά διαστήματα από την έναρξη μέχρι τη λήξη της εφαρμογής. Για το κόστος άνεσης γίνεται η θεώρηση ότι όσο πιο κοντά στη στιγμή έναρξης ξεκινήσει το πλυντήριο να δουλεύει τόσο μικρότερο είναι το κόστος άνεσης. Δηλαδή την στιγμή της έναρξης έχουμε μηδενικό κόστος άνεσης και έξι διαστήματα πριν τη στιγμή της λήξης έχουμε μοναδιαίο κόστος άνεσης. Το συνολικό κόστος για κάθε διάστημα δίνεται όπως και στα dimmable φορτία από την παρακάτω εξίσωση (5.3) Συνολικό_κόστος= (5.3) (κόστος_ισχύος*(1-συντελεστής_άνεσης)) +(κόστος_άνεσης*συντελεστής_άνεσης) Αφού έχουμε υπολογίσει όλα τα κόστη υπολογίζουμε για κάθε πιθανή έναρξη το συνολικό κανονικοποιημένο κόστος ισχύος και άνεσης για τα έξι διαστήματα που διαρκεί η εφαρμογή και διαλέγουμε το διάστημα έναρξης το οποίο έχει την ελάχιστη συνολική κατανάλωση. Στην παρακάτω εικόνα (Σχήμα 5.3) φαίνονται για ένα τυχαίο αριθμό διαστημάτων λειτουργίας, τα πιθανά διαστήματα λειτουργίας.

29 Σχήμα 5.3 Δηλαδή αν από τη στιγμή που ορίσουμε την έναυση μέχρι τη σβέση έχουμε Ν διαστήματα, θα μπορούμε να έχουμε (Ν-6)+1 πιθανά διαστήματα έναρξης. Υπολογίζεται για το κάθε διάστημα το κόστος (μπλε τελεία). Για μηδενικό συντελεστή άνεσης θα επιλεγεί ώρα έναρξης η σειρά με την ελάχιστη συνολική κατανάλωση (κόκκινη τελεία). Διάγραμμα ροής

30 )Interuptible Το τελευταίο είδος φορτίου που μελετήθηκε στη διπλωματική είναι τα interruptible φορτία. Τέτοιου είδους φορτία είναι αυτά που όπως είπαμε έχουν σταθερή ισχύ και η λειτουργία τους μπορεί να διακοπεί στο χρόνο και να συνεχίσει τη λειτουργία της κάποια άλλη χρονική στιγμή. Ο θερμοσίφωνας που μελετήσαμε συγκαταλέγεται σε αυτή την ομάδα φορτίου καθώς μπορεί να λειτουργεί σε μη συνεχόμενα χρονικά διαστήματα. Ποσοτικοποίηση κόστους άνεσης Η ποσοτικοποίηση του κόστους άνεσης σε αυτό το φορτίο ακολουθεί την ίδια λογική με τα shiftable φορτία. Θεωρούμε δηλαδή, ότι μεγαλύτερη άνεση έχει ο χρήστης όταν το φορτίο είναι έτοιμο όσον το δυνατό νωρίτερα. Όπως και στην προηγούμενη περίπτωση μπορεί ο χρήστης να μην θέλει να περιμένει το διάστημα με το μικρότερο κόστος ή να είναι εκτός σπιτιού και να έρθει νωρίτερα από το προγραμματισμένο. Επομένως η παραπάνω παραδοχή προσφέρει στον χρήστη όσο καλύτερη άνεση γίνεται. Παράμετροι προσομοίωσης Σε αυτό το φορτίο η υλοποίηση που θέλουμε να κάνουμε είναι η εξής: Θέλουμε ο θερμοσίφωνας να έχει ζεστό νερό κάποια συγκεκριμένη χρονική στιγμή που θα επιθυμεί ο χρήστης, αλλά δεν είναι απαραίτητο να είναι συνεχόμενη η λειτουργία του θερμοσίφωνα. Μπορεί να λειτουργήσει όσα χρονικά διαστήματα χρειάζονται με ενδιάμεσες παύσεις έτσι ώστε να έχει οικονομικότερη λειτουργία. Η αρχική υπόθεση που κάναμε είναι ότι ο θερμοσίφωνας δεν έχει απώλειες, δηλαδή άπαξ και ζεσταθεί το νερό σε ένα μισάωρο και κάνει παύση λειτουργίας, ο θερμοσίφωνας, το νερό βρίσκεται στα ίδια επίπεδα θερμοκρασίας όπως ήτανε πριν από μία ώρα. Ο αλγόριθμος για να υλοποιηθεί χρειάζεται κάποιες παραμέτρους. Αρχικά χρειαζόμαστε τις παραμέτρους της συσκευής, οι οποίες είναι η χωρητικότητα του θερμοσίφωνα σε λίτρα και η ισχύς του σε KW. Έπειτα είναι οι παράμετροι του χρήστη, ο οποίος δηλώνει τη στιγμή έναρξης της εφαρμογής, την χρονική στιγμή που θέλει ο θερμοσίφωνας να είναι έτοιμος και τον παράγοντα άνεσης. Τέλος είναι απαραίτητη η τιμή της κιλοβατώρας ανά μισή ώρα για ένα εικοσιτετράωρο, καθώς και η θερμοκρασία που έχει το νερό στην αρχή της εφαρμογής και αυτή στην οποία θέλουμε να φτάσει. Στην παρούσα διπλωματική θα γίνει μελέτη για έναν θερμοσίφωνα χωρητικότητας 100 λίτρων και ονομαστικής ισχύς 4 ΚW, o οποίος θερμαίνει το νερό από τους 20 o C στους 70 o C. Η τιμή της κιλοβατώρας είναι η ίδια όπως και στα προηγούμενα δύο φορτία.

31 Υλοποίηση αλγορίθμου dijkstra Σαν πρώτο βήμα ο αλγόριθμος πρέπει να υπολογίσει τον αριθμό των διαστημάτων που απαιτούνται προκειμένου ο θερμοσίφωνας να έχει φτάσει το νερό στην επιθυμητή θερμοκρασία. Αυτό υπολογίζεται από την παρακάτω εξίσωση (5.4). Χρησιμοποιήθηκε η μονάδα ενέργειας BTU (British Thermal Unit) η οποία εκφράζει την απαιτούμενη ενέργεια για να αυξηθεί η θερμοκρασία νερού μάζας 1 pound (0,45 Kilos) κατά ένα 1 F ο σε μια ώρα. Άρα, για να αυξηθεί η θερμοκρασία C pound νερού κατά ΔΤ βαθμούς F ο απαιτούνται C*ΔΤ BTUs. Με βάση ότι 1kWh = 3412,3 BTU, 1 pound = 0,45 Kilos (1Kilo water = 1 Liter water) και 1 F ο = 1,8Cο + 32 και δεδομένης της χωρητικότητας σε λίτρα (C) και της ισχύος σε kw (P), προκύπτει η ακόλουθη εξίσωση που δίνει το απαιτούμενο χρόνο (σε ώρες) για την μετάβαση από Τinit σε Τset : Time =. ( ), ",# (5.4) Επειδή θέλουμε ο αλγόριθμος να είναι γενικός και να μπορεί να δουλέψει διάφορους θερμοσίφωνες, επομένως δεν ξέρουμε κάθε φόρα πόση ώρα θα χρειαστεί για ολοκληρώσει τη μετάβαση, χρησιμοποιήθηκε πάλι δυναμική ανάθεση μνήμης. Για τις τιμές που αναφέρθηκαν προηγουμένως υπολογίζεται ότι χρειάζεται μιάμιση ώρα ο θερμοσίφωνας της εφαρμογής μας για να υλοποίηση την απαιτούμενη μετάβαση, άρα 6 μισάωρα. Έπειτα ο αλγόριθμος υπολογίζει πόσα είναι τα πιθανά διαστήματα από την έναρξη της εφαρμογής μέχρι την ώρα που θέλουμε να είναι έτοιμο το νερό. Για κάθε ένα από αυτά τα διαστήματα υπολογίζει το κόστος ισχύος, το οποίο είναι η ονομαστική του ισχύς πολλαπλασιασμένη με την τιμή της κιλοβατώρας το αντίστοιχο χρονικό διάστημα. Δεδομένου ότι για κάθε διάστημα η συσκευή καταναλώνει συγκεκριμένη σταθερή ισχύ, η κανονικοποίηση γίνεται με βάση το πιο ακριβό ενεργό διάστημα. Αφού βρεθεί το κόστος αυτό, το κόστος κάθε διαστήματος διαιρείται προς το διάστημα με την υψηλότερη τιμή και έτσι προκύπτει το κανονικοποιημένο χρηματικό κόστος κάθε διαστήματος. Εκτός από το κανονικοποιημένο χρηματικό κόστος ισχύος χρειαζόμαστε και το κανονικοποημένο κόστος άνεσης. Υιοθετείται η υπόθεση όπως αναφέρθηκε προηγουμένως ότι όσο πιο νωρίς τελειώσει το έργο τόσο πιο μεγάλη είναι η άνεση. Κατά συνέπεια στο πρώτο ενεργό διάστημα μετά την εντολή έχουμε μηδενικό κόστος άνεσης και στο τελευταίο μοναδιαίο. Τα ενδιάμεσα διαστήματα χωρίζονται σε ίσα διαστήματα μεταξύ μηδέν και ένα. Και σε αυτό το σημείο είναι πάλι αναγκαία η δυναμική ανάθεση μνήμης καθώς τα κλάσματα του κόστους άνεσης ποικίλουν ανάλογα με τα ενεργά διαστήματα που υπάρχουν κάθε φορά στον αλγόριθμο. Αφού έχουμε και τα δύο κόστη το συνολικό προκύπτει όπως και στα δύο προηγούμενα φορτία από την παρακάτω εξίσωση (5.5).

32 Συνολικό_κόστος= (5.5) (κόστος_ισχύος*(1-συντελεστής_άνεσης)) +(κόστος_άνεσης*συντελεστής_άνεσης) Από τα συνολικά κόστη που έχουμε υπολογίσει διαλέγουμε όσα διαστήματα χρειάζεται η εφαρμογή (6 στην περίπτωση μας) με την μικρότερη κατανάλωση. Στην παρακάτω εικόνα (Σχήμα 5.4) φαίνεται ξεκάθαρα η παραπάνω διαδικασία Σχήμα 5.4 Έστω ότι ο χρήστης θέλει το φορτίο έτοιμο από τις μ.μ, μέχρι τις 4.30 μ.μ, και το φορτίο θέλει 3 διαστήματα να είναι έτοιμο. Θα υπολογιστεί για όλα τα διαστήματα το συνολικό κόστος (μπλε τελείες). Για μηδενικό συντελεστή άνεσης θα επιλεχτεί το φορτίο να λειτουργήσει στα τρία διαστήματα με την χαμηλότερη κατανάλωση (κόκκινες τελείες). Διάγραμμα ροής

33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΕΝΣΩΜΑΤΩΜΕΝΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 3.1) Περιγραφή ενσωματωμένου συστήματος Το ενσωματωμένο σύστημα είναι ένα υπολογιστικό σύστημα το όποιο σε αντίθεση με τον υπολογιστή εκτελεί μια προκαθορισμένη εργασία. Βασικό χαρακτηριστικό τους είναι η ύπαρξη ενός υπολογιστικού πυρήνα που είναι είτε μικροελεγκτής είτε DSP (digital signal processor) και αλληλεπιδρούν συνεχώς με το περιβάλλον με διάφορους τρόπους στους οποίους θα γίνει αναφορά παρακάτω. Επειδή τα ενσωματωμένα συστήματα εκτελούν μια συγκεκριμένη λειτουργία δίνεται η δυνατότητα στον εκάστοτε σχεδιαστή να μειώσει το μέγεθος και το κόστος επιτυγχάνοντας ταυτόχρονα αρκετά υψηλή αξιοπιστία και απόδοση. Επειδή λειτουργούν σε πραγματικό χρόνο πρέπει να πληρούνται κάποιες προδιαγραφές όπως το βάρος, η κατανάλωση ενέργειας κ.τ.λ. Τα βασικά μέρη που μπορεί να έχει ένα ενσωματωμένο σύστημα είναι τα εξής: Ψηφιακά μέρη όπως επεξεργαστές, μνήμες, δίαυλοι, ελεγκτές κ.τ.λ. Ενσωματωμένο λογισμικό Αναλογικά στοιχεία όπως αισθητήρες, διεγέρτες κ.τ.λ. Μετατροπείς Α/Ψ και Ψ/Α Στα ενσωματωμένα συστήματα η επικοινωνία με το χρήστη ποικίλει από καθόλου έως πολύπλοκες γραφικές διεπαφές (GUI), οι οποίες μπορεί και να μοιάζουν στην επιφάνεια εργασίας ενός σύγχρονου λειτουργικού συστήματος. Τα πιο απλά συστήματα έχουν leds, κουμπιά και οθόνες LCD ενώ στα πιο πολύπλοκα μπορούμε να συναντήσουμε μέχρι και οθόνες αφής. Τέλος πολύ συνηθισμένη υλοποίηση σε αυτά τα συστήματα είναι ένα SoC (System on Chip) τα οποία μπορούν να υλοποιηθούν είτε πάνω σε ένα ASIC ( Application-Specific Integrated Circuit ) είτε χρησιμοποιώντας ένα FPGA (Field-Programmable Gate Array ). Αυτά τα συστήματα μπορεί να ποικίλουν από φορητές συσκευές όπως κινητά, mp3 players μέχρι σε μεγαλύτερες μη φορητές συσκευές όπως μαγνητικός τομογράφος, φανάρια κυκλοφορίας. Στην παρακάτω εικόνα (Σχήμα 3.1) παρατίθεται ένα παράδειγμα ενός ενσωματωμένου συστήματος, μια ψηφιακή φωτογραφική μηχανή.

34 Σχήμα 3.1 Η επικοινωνία με το περιβάλλον στα ενσωματωμένα συστήματα μπορεί να γίνει με την χρήση διάφορων περιφερειακών όπως: Σειριακές θύρες (RS-232,RS-422 ) Σύγχρονες σειριακές θύρες (π.χ. SPI,I 2 C,SSC) USB Networks (π.χ. ETHERNET) Fieldbuses (π.χ. CAN,LIN,PROFIBUS) Debugging (π.χ. JTAG,ISP) 3.2)Το περιβάλλον εργασίας Στην παρούσα διπλωματική το ενσωματωμένο που χρησιμοποιήθηκε είναι το STK600 AVR Flash MCU Starter Kit σε συνδυασμό με τον 32bit μικροελεγκτή AT32UC3C2512C της εταιρίας Atmel. Το πρόγραμμα που χρησιμοποιήθηκε για τον προγραμματισμό της πλακέτας είναι το Atmel Studio 6.0 επίσης της ίδιας εταιρίας. Το εν λόγω πρόγραμμα είναι ένα IDE( Integrated Development Environment) λογισμικό. Για επικοινωνία με τον χρήστη δημιουργήθηκε μια γραφική διεπαφή χρήστη. Στις επόμενες παραγράφους θα εξηγηθούν με περαιτέρω λεπτομέρειες αυτά τα προαναφερθέντα εργαλεία.

35 )Μικροελεγκτής O μικροελεγκτής που χρησιμοποιήθηκε είναι ο AT32UC3C2512C και είναι όπως προαναφέρθηκε ένας 32bit μικροελεγκτής της οικογένειας AVR UC3C. Αυτό σημαίνει ότι όλοι οι καταχωρητές τόσο του συστήματος όσο και γενικού σκοπού, καθώς και το address και data bus είναι 32bit. Ο βασικός λόγος που επιλέχτηκε αυτή η συγκεκριμένη οικογένεια είναι ότι έχει ενσωματωμένη fpu (floating point unit), μια δυνατότητα που ήταν απαραίτητη για την παρούσα διπλωματική. Το fpu η αλλιώς μονάδα κινητής υποδιαστολής είναι ένα μέρος του υπολογιστικού συστήματος που είναι ειδικά σχεδιασμένο για να πραγματοποιεί πράξεις με αριθμούς κινητής υποδιαστολής. Τα τρία τελευταία ψηφία του ονόματος δηλώνουν πόση μνήμη flash έχει ο μικροελεγκτής μας (512 kbytes). H μνήμη flash είναι ένα είδος non-volatile μνήμης. Αυτό σημαίνει ότι ακόμα και όταν η μνήμη δεν τροφοδοτείται με ρεύμα τα δεδομένα της δεν χάνονται. Επιπλέον η μνήμη flash μπορεί να σβηστεί και να επαναπρογραμματιστεί. Εκτός από την εσωτερική μνήμη flash που προαναφέρθηκε περιέχει και εσωτερική SRAM μνήμη των 68 kbytes καθώς και 4 kbytes HSB SRAM μνήμης. Η οικογένεια UC3C βγαίνει σε τρία διαφορετικά πακέτα των 144, 100 και 64 ακίδων. Στη συγκεκριμένη διπλωματική ο μικροελεγκτής που χρησιμοποιήθηκε είναι της σειράς C2 που σημαίνει ότι έχει 64 ακίδες και αντίστοιχα 45 GPIO (general input output register) ακίδες. Οι μικροελεγκτές της οικογένειας που προαναφέρθηκε βασίζονται πάνω στον επεξεργαστή AVR32UC που είναι αρχιτεκτονικής RISC (reduced instruction set computer). Η συντομογραφία RISC σημαίνει υπολογιστής περιορισμένου συνόλου εντολών δηλαδή υπάρχει ένα μικρό σύνολο εντολών, οι οποίες πραγματοποιούν ένα ελάχιστο πλήθος απλών λειτουργιών. Οι σύνθετες εντολές προσομοιώνονται με τη χρήση ενός υποσυνόλου απλών εντολών. Το συγκεκριμένο μοντέλο περιλαμβάνει δεκαπέντε 32bit καταχωρητές γενικού σκοπού. Ο μικροελεγκτής μας έχει πολλές δυνατότητες καθώς έχει ενσωματωμένες πολλές λειτουργίες. όπως δεκαέξι κανάλια ADC (analog to digital converter) και PWM (pulse width modulation). Επιπλέον έχει πολλές συνδέσεις για επικοινωνία με το περιβάλλον όπως πχ σειριακές επαφές (UART, SPI, TWI) και άλλες επαφές όπως CAN, USB, ETHERNET. Από αυτές τις επαφές εμείς θα χρησιμοποιήσουμε την σειριακή, και συγκεκριμένα την USART1 για επικοινωνία της πλακέτας και του υπολογιστή. Από τις 64 ακίδες που απαρτίζουν τον μικροελεγκτή μας οι 45 μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν I/O (Input/Output) ακίδες. Οι υπόλοιπες 19 ακίδες είναι δεσμευμένες για σήματα όπως το Reset, Ground κ.τ.λ. Οι I/O ακίδες του μικροελεγκτή μπορούν να έχουν δυο λειτουργίες, Είτε να χρησιμοποιηθούν σαν Ι/Ο γενικού σκοπού είτε να ανατεθούνε σε μια από τις ενσωματωμένες πολυπλεγμένες περιφερειακές λειτουργίες. Παρακάτω (Σχήμα 3.2) δίνεται το σχηματικό του επεξεργαστή μας με την αντιστοίχηση κάθε ακίδας.

36 Σχήμα 3.2 Στην παρούσα διπλωματική το μόνο περιφερειακό που χρησιμοποιήθηκε είναι η σειριακή θύρα και από τα εξαρτήματα τρία από τα led.επόμενως χρησιμοποιήθηκαν μόνο τρεις ακίδες για να συνδεθούν με τρία από τα led και δύο ακίδες για να πάρουμε τα TX και RX σήματα της σειριακής θυρας. Στο παρακάτω σχήμα (Σχήμα 3.3) φαίνεται ένα κομμάτι από το manual του επεξεργαστή στο οποίο παραθέτουμε μόνο τις ακίδες τις οποίες χρειαστήκαμε στην διπλωματική. Στις ακίδες ωχτό και εννία και δεκαεννιά (PA08-PA09 PA19) συνδέθηκαν σε τρία από τα led επόμενως χρησιμοποιήθηκαν σαν gpio και οι ακίδες εκατόν εφτά μέχρι εκατόν δέκα (PD11 PD14) χρησιμοποήθηκαν με την ενσωματωμένη λειτουργία Α, δηλαδή σαν σήματα της USART 1.

37 Σχήμα 3.3 Ο επεξεργαστής μας είναι Harvard αρχιτεκτονικής δηλαδή τα δεδομένα και οι εντολές αποθηκεύονται σε ξεχωριστό μέρος (στη ram και flash μνήμη αντίστοιχα). Τέλος έχει εσωτερικούς ταλαντωτές των 115 khz και 8 MHz. Στην εφαρμογή μας χρησιμοποιούμε αυτόν με τα 115 khz. Αυτό είναι το κύριο ρολόι που τροφοδοτεί τα υπόλοιπα ρολόγια από τα διάφορα περιφερειακά. Το ρολόι της θύρας RS232 που θα χρησιμοποιηθεί είναι ρυθμισμένος στην ίδια συχνότητα με το κεντρικό ρολόι στα 115 khz )STK600 To stk600 είναι μια ολοκληρωμένη πλατφόρμα ανάπτυξης που υποστηρίζει τόσο 8bit όσο και 32bit μικροελεγκτές της εταιρίας ATMEL. Είναι σχεδιασμένο έτσι ώστε να μπορούν οι προγραμματιστές να δημιουργούν διαφόρων ειδών εφαρμογές με ευκολία, καθώς περιλαμβάνει μεγάλο εύρος ενσωματωμένων εργαλείων. Κάθε φορά που βγαίνει καινούργιο υλικολογισμικό (firmware) είναι ενσωματωμένο στο αντίστοιχο IDE πρόγραμμα που χρησιμοποιούμε. Το υλικολογισμικό είναι ένα είδος λογισμικού το οποίο είναι γραμμένο σε γλώσσα μηχανής (ή σε συμβολική γλώσσα) και είναι φτιαγμένο αποκλειστικά και μόνο για ένα μοντέλο συσκευής. Η αναβάθμιση γίνεται μόλις συνδέσουμε το skt600. Σε περίπτωση που για κάποιο λόγο δεν γίνει η αναβάθμιση αυτόματα μπορεί να γίνει χειροκίνητα από τον χρήστη.

38 Στην παρακάτω φωτογραφία (Σχήμα 3.4) φαίνεται η πλακέτα χωρίς κάποιο μικροελεγκτή συνδεδεμένο πάνω της. Σχήμα 3.4 Η πλακέτα είναι συμβατή με AVR Studio 4/AVR 32 Studio και νεώτερες εκδόσεις του λογισμικού. Στην παρούσα διπλωματική χρησιμοποιήθηκε μια νεώτερη έκδοση το Atmel Studio 6.1. Έχει διεπαφή USB με την οποία επικοινωνεί με τον υπολογιστή για έλεγχο και προγραμματισμό. Η τροφοδοσία μπορεί να γίνει με δύο τρόπους. Είτε από εξωτερική DC τροφοδοσία V είτε από τη θύρα USB. Διαθέτει επιπλέον διεπαφή JTAG και ISP (Serial In-System Programming). Επίσης διαθέτει οχτώ LED και οχτώ κουμπιά γενικού σκοπού. Για επικοινωνία με το περιβάλλον διαθέτει σειριακή διεπαφή και θύρα CAN. Το stk600 υποστηρίζει διάφορες οικογένειες μικροελεγκτών της εταιρίας Atmel. Πάνω στην πλακέτα τοποθετούνται ανάλογα τον μικροελεγκτή που χρησιμοποιούμε οι αντίστοιχες κάρτες δρομολόγησης και socket. Η κάρτα δρομολόγησης τοποθετείται μεταξύ της πλακέτας και της κάρτας socket. Περιέχει στην κάτω μεριά της ένα ζευγάρι ηλεκτρικά πέλματα που αντιστοιχίζονται στους συνδέσμους με την πλακέτα, και στην πάνω μεριά ένα άλλο ζευγάρι που αντιστοιχίζεται με τον σύνδεσμο από την κάρτα socket. Η κάρτα socket με τη σειρά της δρομολογεί τα σήματα από τις ακίδες του επεξεργαστή στα αντίστοιχα της κάρτα δρομολόγησης. Στις παρακάτω εικόνες (Σχήμα 3.5) φαίνονται μια κάρτα δρομολόγησης και κάρτα socket αντίστοιχα

39 Σχήμα 3.5 Η διαδικασία συναρμολόγησης της πλακέτας είναι αρκετά εύκολη και φαίνεται στις παρακάτω εικόνες. Αρχικά τοποθετούμε τις βίδες με τη φορά που φαίνεται στη δεύτερη εικόνα. Έπειτα τοποθετούμε την κάρτα δρομολόγησης και γυρίζουμε τις βίδες 45 μοίρες μέχρις ότου να ευθυγραμμιστούν με την άσπρη γραμμή που φαίνεται πάνω στην κάρτα. Στη συνέχεια τοποθετούμε την κάρτα socket και γυρνάμε τις βίδες άλλες 45 μοίρες μέχρι να έχουν τη θέση που φαίνεται στην τελευταία εικόνα (Σχήμα 3.6).

40 Σχήμα

41 Στην παρακάτω εικόνα (Σχήμα 3.7)φαίνεται ένα stk600 συναρμολόγησης. έπειτα από τη διαδικασία Σχήμα 3.7 Η συγκεκριμένη πλακέτα δεν έχει κάποιο λογισμικό πάνω της. Υπάρχουν κάποιοι ενσωματωμένοι hardware drivers πάνω που υλοποιούν την επικοινωνία μεταξύ του επεξεργαστή και των διάφορων περιφερειακών. Στην παρούσα διπλωματική χρησιμοποιήθηκε όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενη ενότητα ο μικροελεγκτής AT32UC3C2512C. Για το συγκεκριμένο μοντέλο οι κάρτες δρομολόγησης και socket είναι οι STK600-RCUC3C2-40 και STK600-TQFP64-2 αντίστοιχα. Η πλακέτα τροφοδοτείται από την θύρα usb με την οποία γίνεται και η επικοινωνία με τον υπολογιστή. Ο προγραμματισμός του επεξεργαστή γίνεται μέσω της διεπαφής JTAG και η επικοινωνία με τον έξω κόσμο, τον υπολογιστή στην περίπτωση μας γίνεται με τη βοήθεια της σειριακής θύρας (RS232). Από το datasheet της κάρτας δρομολόγησης βρίσκουμε οι αντίστοιχες ακίδες του επεξεργαστή που χρησιμοποιούμε σε ποια ακίδα της πλακέτας αντιστοιχούν. Παρακάτω (Σχήμα 3.8) παρατίθεται ένα μέρος από το datasheet το οποίο δείχνει τις αντίστοιχες ακίδες

42 Σχήμα 3.8 Όπως φαίνεται και στην παρακάτω εικόνα (Σχήμα 3.9) τρία από τα led συνδέθηκαν, με τις τρεις ακίδες του μικροελεγκτή που αναφέρθηκαν παραπάνω οι ακίδες που περιέχουν τα σήματα TXR, RXD, CTS, RTS έχουν συνδεθεί με τα αντίστοιχα της πλακέτας (RS232 spare) και τέλος η υποδοχή JTAG έχει συνδεθεί με την αντίστοιχη έξοδο του από την μεριά του επεξεργαστή. Σχήμα 3.9 Τέλος η πλακέτα δίνει τη δυνατότητα στο χρήστη να διαλέξει από ποιό ρολόι θα παίρνει σήμα ο επεξεργαστής, μέσω ενός διακόπτη, όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα (Σχήμα 3.10). Ο χρήστης μπορεί να επιλέξει σαν πηγή το ρολογιού έναν ταλαντωτή του επεξεργαστή, μια γεννήτρια προγραμματιζόμενου ρολογιού από 0 έως 32 Mhz με ακρίβεια 0.5 %, είτε με ένα

43 ρολόι πραγματικού χρόνου 32 Mhz. Στην παρούσα διπλωματική χρησιμοποιήθηκε η επιλογή XTAL, δηλαδή to ρολόι του επεξεργαστή μας προέρχεται από τον ενσωματωμένο RC ταλαντωτή των 115 khz. Σχήμα )Atmel Studio 6.1 Για να λειτουργήσει το ενσωματωμένο μας πρέπει να γραφτεί ένα κώδικας, που θα το προγραμματίζει να εκτελεί την επιθυμητή λειτουργία κάθε φορά, και να καεί πάνω στον επεξεργαστή της πλακέτας. Αυτό πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια του IDE προγράμματος Atmel Studio 6.1 επίσης της εταιρίας Atmel. Με την έννοια IDE (Integrated development environment) ή αλλιώς ολοκληρωμένο περιβάλλον ανάπτυξης εννοούμε μία σουίτα λογισμικού που βοηθάει στην ανάπτυξη προγραμμάτων υπολογιστή. Συνήθως ένα IDE περιλαμβάνει κάποιον επεξεργαστή πηγαίου κώδικα, έναν μεταγλωττιστή (compiler), εργαλεία αυτόματης παραγωγής κώδικα, αποσφαλματωτή (debugger), συνδέτη (linker), σύστημα ελέγχου εκδόσεων και εργαλεία κατασκευής γραφικών διασυνδέσεων χρήστη για τις υπό ανάπτυξη εφαρμογές. Ο σκοπός ενός IDE είναι να διευκολύνει τη δουλειά ενός προγραμματιστή, έτσι ώστε να μην χρειάζεται να έχει ξεχωριστά εργαλεία προκείμενου να κάνει μεταγλώττιση, αποσφαλμάτωση κ.ο.κ. αυξάνοντας έτσι την παραγωγικότητα του. Υπάρχουν IDE που είναι σχεδιασμένη έτσι ώστε να υποστηρίζουν μια συγκεκριμένη γλώσσα προγραμματισμού και άλλα τα οποία είναι πιο γενικά και υποστηρίζουν αρκετές όπως για παράδειγμα το Microsoft Visual Studio. Ο compiler που χρησιμοποιεί το Atmel Studio είναι ο GNU Compiler Collection (GCC ). Ο compiler αυτός έχει δημιουργηθεί από το GNU Project. Αρχικά ο compiler αυτός ήταν

44 προγραμματισμένος να υποστηρίζει μόνο τη C γλώσσα προγραμματισμού, όμως έπειτα διευρύνθηκε και υποστηρίζει και άλλες γλώσσες όπως C++, Java, Fortran, κ.τ.λ. Το Atmel Studio είναι σχεδιασμένο για ανάπτυξη και αποσφαλμάτωση εφαρμογών βασισμένες τόσο σε ARM επεξεργαστές όσο και σε AVR. H αρχική σελίδα του Atmel Studio είναι η παρακάτω Σχήμα 3.11 Έχει επιλογή για δημιουργία νέου αρχείου ή φόρτωση ενός ήδη υπάρχοντος από τα πρόσφατα αρχεία που έχουν ανοιχτεί. Ο χρήστης έπειτα επιλέγει για πια συσκευή θα υλοποιηθεί το αρχείο και με τι είδους debugger θα χρησιμοποιήσει. Υπάρχουν πολλοί avr debuggers και όλοι υποστηρίζονται από το πρόγραμμα (π.χ Atmel-ICE, AVR Dragon,JTAGICE3 κ.τ.λ.). Σε μερικές οικογένειες επεξεργαστών υπάρχει και η δυνατότητα να χρησιμοποιηθεί και ένας προσομοιωτής που είναι ενσωματωμένος στο πρόγραμμα, αλλά για την οικογένεια UC3 που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα διπλωματική δεν υπήρχε αυτή η δυνατότητα. Μετά το build του αρχείου στο κάτω μέρος της οθόνης εμφανίζονται κάποιες πληροφορίες σχετικά με το πρόγραμμα. Αυτές αφορούν τυχόν σφάλματα και επισημάνσεις που έχει το πρόγραμμα καθώς και πόση μνήμη καταναλώνει. Έπειτα από αυτή τη διαδικασία, αφού έχουν διορθωθεί τυχόν σφάλματα που έχει ο κώδικας μπορεί πλέον να κατέβει στο μικροεπεξεργαστή. Επιπλέον το πρόγραμμα δίνει την δυνατότητα στον χρήστη να σβήσει την flash μνήμη του επεξεργαστή. Συνοπτικά το εν λόγω πρόγραμμα μας δίνει την δυνατότητα, να γράψουμε κώδικα για τον μικροελεγκτή να τον κάνουμε build και να τον κατεβάσουμε στον μικροελεγκτή.

45 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΣΕ ΠΛΑΤΦΟΡΜΑ ΕΝΣΩΜΑΤΩΜΕΝΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 4.1)Προγραμματισμός ενσωματωμένου Το επόμενο βήμα είναι να προγραμματιστεί το ενσωματωμένο μας έτσι ώστε να υλοποιεί τους αλγορίθμους που αναφέρθηκαν σε προηγούμενη ενότητα. Ο κώδικας καίγεται πάνω στον μικροελεγκτή του ενσωματωμένου, επομένως μόλις το ενσωματωμένο τροφοδοτηθεί με ρεύμα και τεθεί σε λειτουργία, εκτελεί τον τελευταίο κώδικα που έχει καεί πάνω του )Κατέβασμα κώδικα στον μικροελεγκτή. Υπάρχουν πολλοί τρόποι με τους οποίους μπορούμε να κατεβάσουμε κώδικα μέσω του skt600 στην μνήμη flash του μικροελεγκτή που έχουμε τοποθετήσει πάνω στην πλακέτα. Μπορεί να επιλεγεί προγραμματισμός μέσω της θύρας ISP, της θύρας JTAG, η μέσω της παράλληλης θύρας. Στην παρούσα διπλωματική η διαδικασία αυτή γίνεται μέσω της θύρας JTAG. Στην παρακάτω εικόνα (Σχήμα 4.2) φαίνεται η συνδεσμολογία για τη διεπαφή JTAG, και τα αντίστοιχα pin που είναι τοποθετημένα στην πλακέτα (σχήμα 4.1). Σχήμα 4.1

46 Σχήμα 4.2 Στην αριστερή μεριά όπως φαίνεται στο σχήμα 4.2 είναι η πλευρά του STK600 για τη διεπαφή JTAG και στην δεξιά η μεριά του μικροελεγκτή. Η σύνδεση γίνεται με ένα απλό 10wire καλώδιο που ενώνει τις δυο πλευρές. Μόλις γίνει το build στο IDE πρόγραμμα και δεν έχουμε κάποιο σφάλμα, τότε μπορούμε να κατεβάσουμε τον κώδικα μέσω της παραπάνω διεπαφής στον μικροελεγκτή. Όση ώρα κατεβαίνει ο κώδικας βλέπουμε ότι το status led της πλακέτας αναβοσβήνει, και μόλις έχει ολοκληρωθεί η διαδικασία του κατεβάσματος γίνεται πράσινο )Υλοποιήση κώδικα για μικροελεγκτή. Όταν κάποιος θέλει να γράψει κώδικα για έναν μικροελεγκτή, θα πρέπει να λάβει υπόψη κάποιες παραμέτρους που δεν υπάρχουν όταν προγραμματίζει κάποιος ένα απλό software. Το πρόγραμμα μας είναι γραμμένο στη γλώσσα προγραμματισμού C, μια γλώσσα από τις πιο διαδεδομένες για προγραμματισμό ενσωματωμένων. Προφανώς οι εντολές της C και η δομημένη λογική της γλώσσας είναι οι ίδιες. Αυτό που διαφέρει στον προγραμματισμό ενσωματωμένου είναι ότι πολλές φορές χρειάζεται να αναθέσουμε τιμή σε κάποιον από τους καταχωρητές ή σε κάποια πόρτα του μικροεπεξεργαστή μας. Μια πολύ χρήσιμη

47 ιδιότητα της γλώσσας είναι ο τελεστής ολίσθησης. Η λειτουργία αυτού του τελεστή είναι να μετατοπίζει δεξιά ή αριστερά την αριστερή μεταβλητή, τόσα bits όσα ορίζει το δεξιό μέρος. Στην παρακάτω εικόνα (σχήμα 4.2) φαίνεται η ξεκάθαρα η λειτουργία αυτού του τελεστή Σχήμα 4.2 Αυτός ο τελεστής είναι βασικός στον προγραμματισμό επεξεργαστών καθώς είναι φορές που θέλουμε να δώσουμε μια συγκεκριμένη τιμή σε κάποια από τα bits ενός καταχωρητή. Με την παραπάνω ιδιότητα απλά λέμε ποία τιμή θέλουμε και πόσο πρέπει να είναι η ολίσθηση και μπορούμε να μεταβάλουμε τα συγκεκριμένα bits του καταχωρητή χωρίς να πειράξουμε τον υπόλοιπο. Επιπλέον θα πρέπει να συμπεριλάβουμε πέραν τον βιβλιοθηκών που χρειαζόμαστε για το καθαρά αλγοριθμικό κομμάτι και την βιβλιοθήκη για τον μικροελεγκτή μας. Επιπλέον χρειάζονται να συμπεριλάβουμε και κάποιες άλλες βιβλιοθήκες όταν θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε κάποιο από τα περιφερειακή του μικροελεγκτή. Στην παρούσα διπλωματικής χρησιμοποιήθηκε μόνο η σειριακή πόρτα επομένως χρειάστηκαν οι παρακάτω γραμμές κώδικα. #include <avr32/io.h> #include <avr32/usart_602.h> Επίσης όταν γράφουμε κώδικα σε ένα επεξεργαστή πολλές φορές λόγω του μεγέθους του αρχείου θέλουμε να έχουμε τον κώδικα σε ξεχωριστά αρχεία ανάλογα με την λειτουργία του κάθε αρχείου. Επομένως το κεντρικό αρχείο που θα περιέχει την κύρια συνάρτηση μας θα πρέπει να συμπεριλάβει και τα άλλα αρχεία που έχουμε γράψει. Αυτό γίνεται με τη βοήθεια των λεγόμενων header files. Για κάθε διαφορετικό αρχείο που έχουμε φτιάχνουμε ένα header file στο οποίο δηλώνουμε όλες τις συναρτήσεις, τις δομές, τις ενώσεις και οποιοδήποτε μεταβλητή έχουμε ορίσει με κάποιο δικό της όνομα και θέλουμε να είναι ορατά και στην κύρια συνάρτηση μας. Επομένως συμπεριλαμβάνοντας στο κύριο αρχείο