ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ Τμήμα Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Πληροφορικής

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ Τμήμα Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Πληροφορικής Μεταπτυχιακή εργασία: «Σχεδιασμός, ανάπτυξη και υλοποίηση αυτοματισμών για εξοικονόμηση ενέργειας σε κτίρια με IPv6 ασύρματα δίκτυα αισθητήρων» Μεταπτυχιακό Δίπλωμα Ειδίκευσης: «Επιστήμη και Τεχνολογία Υπολογιστών» Φίλιος Γαβριήλ A.M: 929 Επιβλέπων: Νικολετσέας Σωτήρης, Αναπληρωτής καθηγητής Πάτρα 2013

2

3 Τμήμα Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Πληροφορικής Μεταπτυχιακή εργασία: «Σχεδιασμός, ανάπτυξη και υλοποίηση αυτοματισμών για εξοικονόμηση ενέργειας σε κτίρια με IPv6 ασύρματα δίκτυα αισθητήρων» Φίλιος Γαβριήλ A.M: 929 Τριμελής Επιτροπή: Νικολετσέας Σωτήρης, Αναπληρωτής καθηγητής (επιβλέπων) Βαρβαρίγος Εμμανουήλ, Καθηγητής Μακρής Χρήστος, Επίκουρος Καθηγητής Πάτρα 2013

4

5 Περίληψη Στην εργασία αυτή μελετούνται ζητήματα που αφορούν την εφαρμογή των δικτύων αισθητήρων και του διαδικτύου των αντικειμένων σε κτίρια, με στόχο την εξοικονόμηση ενέργειας. Αρχικά, γίνεται μία επισκόπηση για τα πράσινα και τα έξυπνα κτίρια, τόσο για τα χαρακτηριστικά τους όσο και για τις τεχνικές κατασκευής τους. Η μελέτη επικεντρώνεται όμως στον τομέα της εξοικονόμησης ενέργειας παρουσιάζοντας τις πιο διαδεδομένες εμπορικές λύσεις αλλά και την πρόοδο σε επίπεδο έρευνας, παρουσιάζοντας τα αποτελέσματα από τα πιο πρόσφατα ερευνητικά προγράμματα. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται το σύστημα και οι αυτοματισμοί που αναπτύχθηκαν προκειμένου να μπορέσουν να ελεγχθούν τα ηλεκτρομηχανολογικά συστήματα του κτιρίου. Πρώτα, αναλύεται η αρχιτεκτονική του συστήματος και των αυτοματισμών. Έπειτα, περιγράφεται η ασύρματη δικτύωση των αυτοματισμών χρησιμοποιώντας ενσωματωμένες IPv6 τεχνολογίες. Τέλος, παρουσιάζονται οι τρόποι διασύνδεσης του αυτοματισμού με την κάθε συσκευή και ο τρόπος που ελέγχονται μέσα από τις εντολές που δίνει ο χρήστης και τα σενάρια που έχει ορίσει. Τέλος, περιγράφονται οι εφαρμογές του συστήματος, τα σενάρια που εφαρμόστηκαν, οι μετρήσεις και η εξοικονόμηση ενέργειας που επετεύχθη στην κάθε περίπτωση. Η κύρια εφαρμογή που αναλύεται είναι στο εργαστήριο δικτύων αισθητήρων του τμήματος Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών στο πανεπιστήμιο της Πάτρας ενώ επίσης γίνεται αναφορά στις εφαρμογές που έγιναν στις αίθουσες ενός Γυμνασίου της Πάτρας, στο σύστημα ποτίσματος ενός θερμοκηπίου φράουλας και στο σύστημα πρόληψης βλαβών σε ηλεκτρολογικούς πίνακες στο εργοστάσιο της Αθηναϊκής Ζυθοποιίας στην Πάτρα. 5

6

7 Πρόλογος Σε μία εποχή που η τεχνολογική πρόοδος δίνει την δυνατότητα στον άνθρωπο να ελέγχει διαρκώς όλο και περισσότερο το περιβάλλον που ζει, υπάρχει η ανάγκη για εφαρμογή της τεχνολογίας σε όλο και περισσότερες πτυχές της ζωής του. Ο σύγχρονος άνθρωπος αναζητάει τρόπους για περιορισμό της σπατάλης που κάνει καθημερινά σε ενέργεια και κατ επέκταση σε χρήματα. Η μεγαλύτερη κατανάλωση ενέργειας ενός ανθρώπου γίνεται είτε κατά την διάρκεια της εργασίας είτε στο σπίτι για τις απαραίτητες λειτουργίες. Ουσιαστικά δηλαδή με την σωστή διαχείριση της ενέργεια που καταναλώνει ένα κτίριο μπορούμε να έχουμε μεγάλη εξοικονόμηση. Σε αυτόν τον τομέα έχουν γίνει σημαντικά βήματα με αποτέλεσμα οι επιστήμονες και οι μηχανικοί πολλών κλάδων να προτείνουν διαρκώς νέες τεχνικές για τον σχεδιασμό του «Πράσινου κτιρίου», που θα είναι φιλικό στο περιβάλλον και θα έχει μειωμένη κατανάλωση ενέργειας σε όλα τα επίπεδα. Από την άλλη πλευρά όμως αυτό που αναζητά ο άνθρωπος από ένα κτίριο είναι να υπάρχει η σωστή διαχείριση των ηλεκτρομηχανολογικών συστημάτων του (φωτισμός, σκίαση, κλιματισμός, εξαερισμός, συναγερμός, κλπ) με μία «έξυπνη» προσέγγιση που να αυτοματοποιεί την λειτουργιά του με τρόπο που κάνει εργονομική και άνετη την χρήση του ενώ ταυτόχρονα η διαχείρισή του να είναι απλή και προσιτή από όλους τους χρήστες. Σε αυτή την κατεύθυνση η εξέλιξη της τεχνολογίας των υπολογιστών έχει κάνει σημαντικά βήματα. Με αποτέλεσμα να έχουμε σήμερα εφαρμογές που από τα αυτοματοποιημένα κτίρια του χθες να μας οδηγούν στα «έξυπνα κτίρια» του σήμερα τα οποία μπορούν και λαμβάνουν αποφάσεις για την λειτουργία των συστημάτων τους, μέσα από μία σειρά μετρήσεων για το τι συμβαίνει στο περιβάλλον τους αλλά και από την χρήση τους. Τα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων είναι μία νέα και διαρκώς εξελισσόμενη τεχνολογία αιχμής που βρίσκει μεγάλο πεδίο εφαρμογής στα έξυπνα κτίρια, καθώς είναι εύκολα στην εφαρμογή τους, μπορούν και παίρνουν μετρήσεις για ότι είναι απαραίτητο σε τέτοια συστήματα, έχουν χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, χαμηλό κόστος αγοράς και εγκατάστασης, είναι συμβατά με τεχνολογίες IPv6,Coap και μπορούν να συνεργαστούν και να διαχειριστούν από συστήματα υψηλότερου επιπέδου που δίνουν εύκολη και γραφική διαχείριση μέσω ηλεκτρονικού υπολογιστή ή Smartphone από οποιονδήποτε απλό χρήστη. 7

8 Έτσι ο χρήστης μέσω ενός Συστήματος διαχείρισης του κτιρίου (Building Management System, BMS) μπορεί να ορίσει κάποια σενάρια λειτουργίας για τα συστήματα ανάλογα με τις περιβαλλοντικές συνθήκες που επικρατούν και σε σχέση με την παρουσία και την ταυτότητα του κάθε χρήστη και το κτίριο να λειτουργεί αυτόνομο. Όλα αυτά επίσης συμβαδίζουν με το γενικότερο όραμα του Διαδικτύου των αντικειμένων (Internet of Things IoT), στο οποίο μπορούμε πλέον αρκετά εύκολα να εντάξουμε αντικείμενα και συσκευές από την καθημερινή μας ζωή. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας γίνεται μελέτη των τεχνικών για την εφαρμογή των ασύρματων δικτύων αισθητήρων σε «πράσινα» και «έξυπνα» κτίρια καθώς και των σεναρίων που μπορούν να εφαρμοστούν για την σωστή διαχείριση των ηλεκτρομηχανολογικών συστημάτων του κτιρίου. Για την πειραματική μελέτη και αξιολόγηση του συστήματος αναπτύχθηκαν αυτοματισμοί στο εργαστήριο ασύρματων δικτύων αισθητήρων του τμήματος Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής του Πανεπιστημίου της Πάτρας και σε κάποιες αίθουσες ενός γυμνασίου στην Πάτρα, που ελέγχουν τον φωτισμό, τις κουρτίνες, τον εξαερισμό και τον κλιματισμό. 8

9 Ευχαριστίες Αρχικά θέλω να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή μου κ. Σωτήρη Νικολετσέα, που με εμπιστεύτηκε και μου έδωσε με αυτή την μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία την δυνατότητα να συμμετάσχω και να εργαστώ με την ερευνητική του ομάδα σε ένα αντικείμενο που μου είναι εξαιρετικά ενδιαφέρον. Η έμπειρη καθοδήγησή του σε όλα τα στάδια της εργασίας ήταν καταλυτική για την εκπόνησή της. Στον σχεδιασμό των αυτοματισμών καθοριστική ήταν η συμβολή του κ. Βασίλη Νίνου, που με τις ειδικές του γνώσεις σε ηλεκτρολογικά και ηλεκτρονικά θέματα συνέβαλε στην επιτυχή ολοκλήρωση όλων των εργασιών που χρειάστηκε να γίνουν στο εργαστήριο, προκειμένου να καταφέρουν οι αισθητήρες να ελέγξουν τα ηλεκτρομηχανολογικά συστήματα με επιτυχία. Πολύ σημαντική ήταν η βοήθεια και οι χρήσιμες συμβουλές κατά την διάρκεια της έ- ρευνάς μου από όλα τα μέλη της ερευνητικής ομάδας που με πλαισίωσαν από την πρώτη στιγμή. Ευχαριστώ τον Κωνσταντίνο-Μάριο, τον Κωνσταντίνο, την Μαρία, τον Χριστόφορο και τον Φάνη κάθε έναν ξεχωριστά. Δεν μπορώ να παραλείψω από τις ευχαριστίες μου στον Άγγελο και την Φούλη, τους συναδέλφους που μοιραστήκαμε μαζί όλες τις ευχάριστες στιγμές αλλά και τις δυσκολίες κατά την φοίτησή μας στην σχολή αυτή. Η συμπαράσταση τους ήταν καθοριστική σε όλη την διάρκεια των σπουδών μου. Τέλος το μεγαλύτερο ευχαριστώ ανήκει στην οικογένεια μου και την Κατερίνα που ή- ταν δίπλα μου συνεχώς και με στήριξαν απόλυτα σε όλες μου τις επιλογές. 9

10

11 Περιεχόμενα Περίληψη 5 Πρόλογος 7 Ευχαριστίες 9 Περιεχόμενα Εισαγωγή Aσύρματα δίκτυα αισθητήρων (WSN) Βασικά Χαρακτηριστικά Εφαρμογές Tο διαδίκτυο των αντικειμένων (IoT) Έξυπνο, Πράσινο κτίριο και εξοικονόμηση ενέργειας Το «πράσινο» κτίριο Βιοκλιματικός σχεδιασμός κτιρίων Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας σε κτίρια Το «έξυπνο» κτίριο Σύστημα Ενεργειακής Διαχείρισης Κτιρίου (BEMS) Τα Οφέλη του συστήματος Οι κύριες λειτουργιές του συστήματος Η δομή του συστήματος Το λογισμικό του συστήματος Εμπορικές λύσεις SIEMENS Instabus ABB i-bus 40 11

12 SCHNEIDER ELECTRIC KΝΧ ELCO inels CARLO GAVAZZI Smart House Ερευνητικά προγράμματα Hobnet IoT-LAB GreenerBuildings Tibucon Smart Build Το Control Cube και το δίκτυο αισθητήρων Η Αρχιτεκτονική του συστήματος Το υλικό (hardware) Η πλατφόρμα TelosB Ο αυτοματισμός (Control Cube) Ενσωματωμένη IPv6 ασύρματη δικτύωση Το λειτουργικό σύστημα TinyOS Τα πρωτόκολλα RPL και RPL-EBP CoAP LowPan Πρόσβαση από το διαδίκτυο Constrained Network και Gateway Resource Directory Web Service Μοντελοποίηση του συστήματος Εφαρμογές του συστήματος Εργαστήριο ασύρματων δικτύων αισθητήρων του τμήματος Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Το ενεργειακό προφίλ του εργαστηρίου Αυτοματισμοί που εγκαταστάθηκαν Σενάρια Εξοικονόμηση ενέργειας Άλλες εφαρμογές Γυμνάσιο Βραχναιΐκων Θερμοκήπια φράουλας Αθηναϊκή Ζυθοποιία

13 5. Συμπεράσματα και μελλοντική εργασία 137 Βιβλιογραφία

14

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Εισαγωγή 1.1. Aσύρματα δίκτυα αισθητήρων (WSN) Τα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων (Wireless Sensor Networks, WSN) είναι μία νέα δικτυακή τεχνολογία που είναι ραγδαία ανερχόμενη. Τα δίκτυα αισθητήρων αποτελούνται από ένα μεγάλο πλήθος μικρών συσκευών που ενσωματώνουν δυνατότητες υπολογισμού, ασύρματης επικοινωνίας, περιορισμένη μνήμη, ενώ λειτουργούν με μικρή μπαταρία και φέρουν ποικιλία αισθητήρων (για την μέτρηση πχ της θερμοκρασίας, του επιπέδου του φωτός, της υγρασίας, κίνησης κλπ.) δίνοντας τους την δυνατότητα να αντιλαμβάνονται τις περιβαλλοντικές αλλαγές που συμβαίνουν γύρω τους. Εικόνα1.1 Διάφορες πλατφόρμες αισθητήρων του εμπορίου 15

16 Ενώ κάθε μια συσκευή αυτή καθαυτή έχει μικρές δυνατότητες και υπόκειται σε αυστηρούς περιορισμούς (π.χ. πολύ περιορισμένη ενέργεια, τοπική γνώση), η κατανεμημένη αυτό-οργάνωση των συσκευών σε ένα αδόμητο δίκτυο και η αποδοτική και ευσταθής συνεργατική τους λειτουργία μπορεί να πραγματοποιήσει μεγάλης κλίμακας ανιχνεύσεις. Η τυπική αποστολή ενός Ασύρματου Δικτύου Αισθητήρων είναι ο εντοπισμός ενός τοπικού φαινόμενου, (δηλαδή ένας αισθητήρας ανιχνεύει τοπικά μια μεταβολή π.χ. μια πυρκαγιά σε ένα δάσος) και η μετάδοση της σχετικής πληροφορίας ασύρματα με τη συνεργασία των υπόλοιπων αισθητήρων προς ένα κέντρο αναφοράς (π.χ. έναν κόμβο του δικτύου που ενημερώνει μία βάση δεδομένων). Εικόνα1.2 Ένα ασύρματο δίκτυο αισθητήρων Βασικά Χαρακτηριστικά Όμως τι είναι αυτό που κάνει τα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων να ξεχωρίζουν από τα άλλα ad-hoc δίκτυα; Και τα δύο είδη δικτύων έχουν σκοπό την συνένωση ασύρματων συσκευών, όμως έχουν και πολλές διαφορές. Τα βασικά χαρακτηριστικά των Ασύρματων Δικτύων Αισθητήρων είναι τα εξής: Υπάρχει μεγάλος αριθμός κόμβων (αισθητήρων) που είναι είτε στατικοί είτε κινούμενοι. Η ακτίνα μετάδοσης είναι σχετικά μικρή και η τοποθέτησή τους στον χώρο είναι συχνά πυκνή. Οι αισθητήρες κάνουν μετρήσεις στο περιβάλλον και όταν χρειαστεί πραγματοποιούν μετάδοση δεδομένων. (δεν υπάρχει διαρκής ροή πληροφορίας και μπορεί να μείνει ανενεργό το δίκτυο για μεγάλο χρονικό διάστημα). 16

17 Η επικοινωνία μεταξύ των αισθητήρων και των σταθμών βάσης είναι ασύρματη και μπορεί να εφαρμοστεί multihop δρομολόγηση για την διακίνηση των δεδομένων. Υπάρχει δυνατότητα αυτό-οργάνωσης του δικτύου. Οι κόμβοι έχουν πηγές ενέργειας περιορισμένης αντοχής (π.χ. μπαταρίες) και ο χρόνος ζωής τους εξαρτάται από την χρήση τους. Οι κόμβοι έχουν περιορισμένη υπολογιστική ισχύ και μνήμη. Το κόστος των κόμβων είναι σχετικά μικρό Εφαρμογές Καθώς η τεχνολογία εξελίσσεται συνεχώς, οι ανάγκες του σύγχρονου ανθρώπου για έγκαιρη, ταχύτατη, χαμηλού κόστους, με ακρίβεια και ευρείας κλίμακας ανίχνευση συμβάντων και μέτρηση περιβαλλοντικών συνθηκών αυξάνονται συνεχώς και ανοίγουν τον δρόμο για την χρήση των ασύρματων δικτύων αισθητήρων σε πολλές και διαφορετικές εφαρμογές. Οι αισθητήρες που μπορούν και ενσωματώνουν οι κόμβοι του δικτύου και μπορούν και τους προσδίδουν την ικανότητα για μέτρηση θερμοκρασίας, υγρασίας, φωτεινότητας, πίεσης, επίπεδα ρύπων, κλπ καθιστούν τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων ιδανικά για ένα μεγάλο φάσμα εφαρμογών στην διαχείριση κτιρίων, στην γεωργία, στην βιομηχανία, στην υγεία, τον στρατό, την έρευνα κλπ. Ας αναφέρουμε κάποιες από τις πιο διαδεδομένες εφαρμογές τους: Στρατιωτικές εφαρμογές: Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων μπορούν να έχουν πεδίο εφαρμογής σε στρατιωτικά συστήματα διαταγών, ελέγχου, επικοινωνιών, υπολογισμού, ευφυΐας, παρακολούθησης, αναγνωρίσεων και στόχευσης. Τα χαρακτηριστικά των δικτύων αισθητήρων, όπως η ταχεία εγκατάσταση, η αυτόοργάνωση και η αντοχή σε λάθη, τους κατατάσσουν σε ένα πολλά υποσχόμενο αισθητήριο μέσο για τα παραπάνω συστήματα. Χαρακτηριστικό που κάνει τα δίκτυα αισθητήρων ιδανικά στα πεδία των μαχών είναι ότι βασίζονται στην πυκνή χωρική εγκατάσταση με αποτέλεσμα η καταστροφή μερικών κόμβων από εχθρικές δυνάμεις να μην επηρεάζει μια στρατιωτική επιχείρηση σε τέτοιο βαθμό όσο η καταστροφή των παραδοσιακών αισθητήρων. Χαρακτηριστικές εφαρμογές των δικτύων αισθητήρων στον στρατιωτικό τομέα είναι η παρακολούθηση των φιλικών δυνάμεων, του εξοπλισμού και των πυρομαχικών τους, η παρακολούθηση του πεδίου της μάχης, η αναγνώριση των εχθρικών δυνάμεων και του εδάφους, η στόχευση, η αποτίμηση των ζημιών της μάχης, καθώς και η ανίχνευση και αναγνώριση μιας Ράδιο- Βιολογικής-Χημικής και Πυρηνικής απειλής. Περιβαλλοντικές εφαρμογές: Στον τομέα αυτό υπάρχουν πολλές και διαφορετικές εφαρμογές. Συνοπτικά και θα αναφέρουμε κάποιες από τις πιο χαρακτηριστικές. Σημαντική εφαρμογή υπάρχει από βιολόγους για την παρατήρηση των συνθηκών κάτω από τις οποίες ζουν διάφορα είδη πανίδας και χλωρίδας. Μία τέτοια εφαρμογή υπήρξε στο Great Duck Ιsland[1] της Αμερικής, όπου είχε εγκατασταθεί ένα ασύρματο δίκτυο αισθητήρων για την παρακολούθηση της αναπαραγωγής του πτηνού Leach Storm Petrel. Εκεί τοποθετήθηκαν αισθητήρες εξοπλισμένοι με αισθητήρες 17

18 θερμοκρασίας, πίεσης και υγρασίας μέσα και έξω από τη φωλιά, και μέσω του multihop ad hoc δικτύου που σχημάτιζαν μετέφεραν τις μετρήσεις στον σταθμό βάσης. Άλλη εφαρμογή είναι τα συστήματα ανίχνευσης πλημμυρών. Ένα τέτοιο σύστημα ανίχνευσης ALERT, το οποίο αναπτύχθηκε στην Αμερική, παρέχει σημαντικές πραγματικού χρόνου πληροφορίες για βροχοπτώσεις και μετρήσεις για το επίπεδο στάθμης του νερού, προσφέροντας έτσι την πιθανότητα μιας υποκείμενης πλημμύρας. Οι κόμβοι στο σύστημα αυτό είναι εξοπλισμένοι με αισθητήρες υγρασίας και καιρικών φαινόμενων και οι πληροφορίες μεταδίδονται μέσω ραδιοσυχνοτήτων σε ένα σταθμό βάσης. Μία ακόμα εφαρμογή είναι τα συστήματα για την ανίχνευση πυρκαγιάς. Σε ένα τέτοιο σύστημα χρησιμοποιείται ένα χαμηλού κόστους κατανεμημένο ασύρματο δίκτυο, το οποίο αποτελείται από αισθητήρες που είναι στο έδαφος ή σε ψηλά σημεία ελέγχοντας τα επίπεδα υγρασίας, την ταχύτητα ανέμου και τη θερμοκρασία. Με αυτό το τρόπο μπορούμε να γνωρίζουμε την πιθανότητα φωτιάς στην περιοχή που είναι τοποθετημένο το δίκτυο αλλά και την κατεύθυνση της φωτιάς. Αυτό το σύστημα ενημερώνει άμεσα τους πυροσβέστες όταν ξεσπάει η πυρκαγιά αλλά και κατά την διάρκειά της δίνει σημαντικά στοιχεία για την αποτελεσματικότερη αντιμετώπιση της. Εφαρμογές στην γεωργία και την κτηνοτροφία: Στον τομέα της αγροτικής ανάπτυξης υπάρχουν συνεχώς νέες εφαρμογές με σκοπό την βελτιστοποίηση της παραγωγής αλλά και την διευκόλυνση του παραγωγού. Μια εφαρμογή στον τομέα της κτηνοτροφίας είναι η κατασκευή εικονικού φράκτη, μέσω ενός ακουστικού ερεθίσματος που δίνεται στα ζώα όταν πλησιάζουν τα όρια του εικονικού φράχτη. Το σύστημα αποτελείται από μια κάρτα WLAN, ένα ηχείο για την αναπαραγωγή του ακουστικού σήματος και ένα μικρό αριθμό ασυρμάτων αισθητήρων. Οι αισθητήρες τοποθετούνται στο λαιμό του ζώου και όταν φτάνει στα όρια του εικονικού φράχτη παράγεται το σήμα και το ζώο αποφεύγει έτσι να ξεφύγει από το κοπάδι. Μία άλλη εφαρμογή στον τομέα της γεωργίας είναι το έξυπνο πότισμα που μπορεί να εφαρμοστεί σε θερμοκήπια, ανοιχτές καλλιέργειες και υδατοκαλλιέργειες. Στο σύστημα αυτό υπάρχουν αισθητήρες σε διάφορα σημεία της καλλιέργειας που μετρούν την υγρασία του εδάφους, την ποιότητα των συστατικών του, την θερμοκρασία του αέρα, την υγρασία του αέρα, την ηλιοφάνεια, κλπ. Το πότισμα και η λίπανση του εδάφους γίνεται αυτόματα ενεργοποιώντας ασύρματα τις αντίστοιχες ηλεκτροβάνες. Οι αισθητήρες στέλνουν περιοδικά μετρήσεις στον σταθμό βάσης και το σύστημα με βάση τα σενάρια που έχει καθορίσει ο γεωπόνος ενεργοποιεί το πότισμα και την λίπανση του εδάφους μόνο όταν χρειάζεται και στην ποσότητα που πρέπει. Εφαρμογές στην υγεία: Σημαντική εφαρμογή των δικτύων αισθητήρων παρατηρούμε και στον τομέα της υγειάς. Μία εφαρμογή είναι η Διαχείριση φαρμάκων στα νοσοκομεία. Με την εγκατάσταση αισθητήριων κόμβων σε φάρμακα μπορούμε να ελαχιστοποιήσουμε την πιθανότητα να πάρει κάποιος ασθενής λάθος φαρμακευτική αγωγή. Η ελαχιστοποίηση της παραπάνω πιθανότητας μπορεί να επιτευχθεί με το να έχουν οι ασθενείς αισθητήριους κόμβους οι οποίοι να αναγνωρίζουν τις αλλεργίες και τις απαιτούμενες θεραπείες τους. Υπολογιστικά συστήματα έχουν δείξει ότι μπορούν να βοηθήσουν στην ελαχιστοποίηση των επιρροών από λάθος φάρμακα. 18

19 Άλλη εφαρμογή συναντάμε στον τομέα της τεχνητής όρασης όπου στα πλαίσια ενός βίοιατρικού project με τη βοήθεια εκατό έξυπνων μικροαισθητήρων και με τη βοήθεια ενσωματωμένων επεξεργαστών δημιουργήθηκε ένα βοήθημα για την όραση. Αυτό βοηθά τους ασθενής με καθόλου ή περιορισμένη όραση να δουν με αξιοσέβαστα αποτελέσματα. Ένα τρίτο παράδειγμα είναι η Ιατρική Τήλεπαρακολούθηση. Οι φορητοί αισθητήρες μπορούν να δημιουργήσουν ένα ασύρματο δίκτυο ανθρωπίνου σώματος, με τη βοήθεια του οποίου παρακολουθείται η υγειά του ασθενή, οι περιβαλλοντικές παράμετροι και η γεωγραφική τοποθεσία. Με αυτό τον τρόπο επιτρέπεται γενικότερα στους ασθενής να έχουν γνωμάτευση από απόσταση ή ειδικότερα, στους ηλικιωμένους, οι οποίοι δεν μπορούν να μετακινηθούν, να ειδοποιούνται για την κατάσταση της υγείας τους, χωρίς να απαιτείται να μεταφερθούν στο γιατρό. Εφαρμογές σε κτίρια: Στον τομέα αυτό υπάρχει ευρύτατο πεδίο εφαρμογής καθώς οι ανάγκες του ανθρώπου για ασφαλέστερα, ενεργειακά φιλικότερα στο περιβάλλον και λειτουργικότερα για τον χρήστη κτίρια είναι πλέον επιτακτική ανάγκη. Μια εφαρμογή που συναντάμε αφορά την παρακολούθηση της αντοχής των κτηρίων. Οι εφαρμογές SHM (Structure Health Monitoring) αποτελούν σημαντικό μέσο πρόγνωσης και έχουν τεράστια οικονομική και κοινωνική απήχηση. Οι στόχοι αυτού του προγράμματος [2] είναι η ανίχνευση καταστροφής, η εύρεση του σημείου καταστροφής, η εκτίμηση της ζημιάς αλλά και της διάρκειας ζωής του κτιρίου. Το πρόγραμμα αυτό, καθώς εφαρμόζει αισθητήρες χαμηλού κόστους, και καθώς καλύπτει μεγάλη περιοχή, χωρίς να χρειαστεί να τοποθετηθούν ιδιαιτέρα πολλοί αισθητήρες, εμφανίζει αυξημένη εφαρμογή. Μία άλλη εφαρμογή των δικτύων αισθητήρων την συναντάμε στο «έξυπνο σπίτι». Στο έξυπνο σπίτι μικροσκοπικοί αισθητήρες ενσωματώνονται σε όλες τις συσκευές που ο άνθρωπος χρησιμοποιεί στην καθημερινή του ζωή. Οι αισθητήρες αυτοί μπορούν να επικοινωνούν μεταξύ τους, καθώς και με ένα εξωτερικό δίκτυο μέσω διαδικτύου ή δορυφόρου, επιτρέποντας με αυτό τον τρόπο τη διαχείριση τους από απόσταση από τους χρηστές ή ακόμα και την πρωτοβουλία των δικών τους κινήσεων. Ακόμα, ο χρήστης μπορεί, μέσω ενός γραφικού περιβάλλοντος, να ορίζει τα σενάρια κάτω από τα οποία θα λειτουργούν οι συσκευές σύμφωνα με τις συνθήκες που καταγράφουν οι αισθητήρες για τις περιβαλλοντικές συνθήκες αλλά και τις προτιμήσεις του χρήστη Tο διαδίκτυο των αντικειμένων (IoT) Ο όρος «Internet of Things» (IoT)[3] αποκτά ολοένα και περισσότερη σημασία,καθώς και πρακτική εφαρμογή, λόγω της ραγδαίας εξέλιξης των συστημάτων διαδικτύου και των ενσωματωμένων συστημάτων. Βασική ιδέα είναι όλα τα αντικείμενα να έχουν την δυνατότητα να είναι συνδεδεμένα σε ένα δίκτυο (Internet), σενάριο που θα ανοίξει πολλούς ορίζοντες. 19

20 Η λογική στην συνεχώς αναπτυσσόμενη ιδέα του IoT είναι ότι όλα τα αντικείμενα μπορούν να χαρακτηριστούν από ένα μοναδικό αναγνωριστικό[4] με το οποίο μπορούν να γίνονται αντιληπτά είτε από ηλεκτρονικούς υπολογιστές είτε από οποιοδήποτε είδος ηλεκτρονικής συσκευής. Αυτό σημαίνει ότι κάθε αντικείμενο, είτε είναι ηλεκτρονική συσκευή είτε όχι, μπορεί να συμμετέχει σε ένα παγκόσμιο δίκτυο τέτοιων συνδεδεμένων συσκευών γεγονός που επιτρέπει την επικοινωνία ανάμεσα στα αντικείμενα και τους χρήστες, καθώς επίσης και μεταξύ των αντικειμένων, που αποτελεί και την πιο σημαντική ιδιότητα. Συσκευές που μετατρέπονται σε διαδικτυακά αντικείμενα μέσω κάποιου RFID κυκλώματος ή ενός μικροελεγκτή, αισθητήρες που συλλέγουν δεδομένα και επικοινωνούν μεταξύ τους ώστε να παράγουν κάποια στατιστικά, φορητές συσκευές καθώς και υπολογιστικά συστήματα, όλα συμμετέχουν στο IoT. Όλα μαζί συνεργάζονται αρμονικά με σκοπό να αυτοματοποιήσουν την ζωή μας με βάση τις ανάγκες και τους σχεδιασμούς μας. Σκοπός είναι να επιτευχθεί αυτός ο στόχος με όσο το δυνατόν μικρότερη παρέμβαση από την πλευρά του χρήστη. Οι συσκευές που θα συμμετέχουν στους αυτοματισμούς και στις υπηρεσίες θα πρέπει να έχουν την δυνατότητα να επικοινωνήσουν με ετερογενής συσκευές. Η επικοινωνία θα επιτυγχάνεται με την χρήση κοινών πρωτοκόλλων (Machine to Machine Communication). Εδώ και αρκετά χρόνια η ύπαρξη αυτοματισμών είναι κάτι που υπάρχει στις ζωές μας και μας εξυπηρετεί. Τα συστήματα αυτά όμως λειτουργούσαν τοπικά και ήταν βασισμένα σε στατικά σενάρια καθημερινότητας που δεν είχαν την ευελιξία να εξελιχθούν ή να επικοινωνήσουν με άλλα συστήματα, ώστε να επεκτείνουν τις παροχές τους. Η αλληλεπίδραση και η επικοινωνία με τον χρήστη σε κάποιο στάδιο ήταν βασική τους απαίτηση. Με την ύπαρξη του IoT τα συστήματα αρχίζουν να διασυνδέονται ολοένα και περισσότερο και τους δίνεται η δυνατότητα να συμμετέχουν σε περισσότερο πολύπλοκα σενάρια που συμπεριλαμβάνουν περισσότερες παραμέτρους και συσκευές στην λειτουργία τους. Αυτό πραγματοποιείται με την πρόσβαση του κάθε συστήματος στο διαδίκτυο γεγονός που μας επιτρέπει στην πιο απλή περίπτωση να το ελέγχουμε απομακρυσμένα, ενώ σε πιο πολύπλοκα σενάρια επιτρέπει την επικοινωνία του δικού μας συστήματος με άλλα με σκοπό την ανάκτηση δεδομένων. Αυτά τα δεδομένα θα βοηθήσουν το σύστημα μας ώστε να πάρει πιο σωστές αποφάσεις, με αποτέλεσμα να έχουμε καλύτερη εξυπηρέτηση και ορθότερη λειτουργία. Αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα την μειωμένη αλληλεπίδραση του συστήματος με τους χρήστες γεγονός που δίνει άλλη διάσταση στην έννοια των αυτοματισμών.[5] Για να γίνει πιο κατανοητή η ιδέα του Internet of Things μπορούμε να δούμε κάποια παραδείγματα στην καθημερινότητα μας που θα μπορούσαν να γίνουν πολύ πιο εύκολα. Για παράδειγμα θα μπορούσαμε να μετατρέψουμε τον θερμοσίφωνα στο σπίτι μας σε ένα αντικείμενο που θα ανήκει στο IoT. Στην περίπτωση που ο χρήστης εισέλθει σε κάποιο γυμναστήριο ή σε κάποιο χώρο άθλησης και σε συνδυασμό με άλλες παραμέτρους, ο θερμοσίφωνας μπορεί να λάβει την απόφαση να αρχίσει να ζεσταίνει το νερό. Οι επιπλέον παράμετροι που θα λαμβάνει υπόψη το σύστημα μπορεί να είναι: το γεγονός ότι τα παπούτσια του χρήστη μέτρησαν μεγάλη κινητικότητα σε συνδυασμό με την τοποθεσία που βρίσκεται. 20

21 πληροφορίες από διάφορους αισθητήρες (θερμοκρασία νερού στην δεξαμενή, παλμοί) καθώς και πληροφορίες από το διαδίκτυο (πρόγνωση καιρού) Χρησιμοποιώντας αυτές τις πληροφορίες το σύστημα μπορεί να εξασφαλίσει ότι ο χρήστης θα έχει την απαραίτητη θερμοκρασία στο νερό όταν το απαιτήσει και ταυτόχρονα όμως δεν θα έχει γίνει άσκοπη κατανάλωση ενέργειας που συμβαίνει στις περισσότερες περιπτώσεις που δεν είναι γνωστοί κάποιοι εξωτερικοί παράγοντες. Ο χρήστης θα μπορεί απομακρυσμένα να επέμβει στην συσκευή, αλλά το ζητούμενο είναι να μην χρειαστεί και η λειτουργία να γίνει αποκλειστικά με την Machine to Machine επικοινωνία. Στο απλό αυτό παράδειγμα συμμετείχαν αρκετές συσκευές που είτε επικοινώνησαν μεταξύ τους είτε επικοινώνησαν με υπηρεσίες διαδικτύου (καιρός) ώστε να πάρουν μια απόφαση. Σε ένα τέτοιο παράδειγμα ελαχιστοποιείται η παρέμβαση του χρήστη που σε κάθε σημείο της διαδικασίας θα μπορούσε να παρέμβει στον έλεγχο οποιασδήποτε συσκευής. 21

22

23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Έξυπνο, Πράσινο κτίριο και εξοικονόμηση ενέργειας 2.1. Το «πράσινο» κτίριο Ο όρος "πράσινο" ή βιώσιμο κτίριο είναι ευρύς και εμπεριέχει μια πληθώρα εννοιών και κριτηρίων. Γενικά, ένα κτίριο μπορεί να χαρακτηριστεί "πράσινο" όταν επιτυγχάνει να συνδυάζει αξιόλογη μείωση των αρνητικών επιπτώσεών του στο περιβάλλον, ενώ παράλληλα προσφέρει άνεση και λειτουργικότητα στους χρήστες του, αλλά και απόδοση κόστους στον ιδιοκτήτη του. Η επίτευξη ισορροπίας μεταξύ αυτών των τριών παραμέτρων είναι υπόθεση του αρχιτεκτονικού και του μηχανολογικού σχεδιασμού κατά το κατασκευαστικό στάδιο, αλλά και, κατά έναν ακόμη μεγαλύτερο βαθμό, θέμα διαχείρισης στο στάδιο λειτουργίας του. Στην ενότητα αυτή θα δούμε πώς μπορεί ένα κτίριο να σχεδιαστεί, να κατασκευαστεί και να λειτουργήσει με τέτοιο τρόπο ώστε να είναι «πράσινο» Βιοκλιματικός σχεδιασμός κτιρίων Ο βιοκλιματικός σχεδιασμός κτιρίων ή βιοκλιματική αρχιτεκτονική, αφορά τον σχεδιασμό κτιρίων και χώρων (εσωτερικών και εξωτερικών υπαίθριων) με βάση το τοπικό κλίμα, συνήθως αναφερόμενο ως μικροκλίμα, με σκοπό την εξασφάλιση συνθηκών θερμικής και οπτικής άνεσης, αξιοποιώντας την ηλιακή ενέργεια και άλλες ανανεώσιμες πηγές, αλλά και τα φυσικά φαινόμενα του κλίματος. Η βιοκλιματική είναι κλάδος της 23

24 αρχιτεκτονικής που αφορά τις επιταγές της οικολογίας και της βιωσιμότητας. Με τον όρο "βιοκλιματικός σχεδιασμός" εννοείται ο σχεδιασμός ο οποίος αποσκοπεί στην προστασία του περιβάλλοντος και των φυσικών πόρων. Η βιοκλιματική αρχιτεκτονική αποτελεί έναν από τους σημαντικότερους παράγοντες της οικολογικής δόμησης, η οποία ασχολείται με τον έλεγχο των περιβαλλοντικών παραμέτρων στο επίπεδο των κτιριακών μονάδων μελετώντας τις ακόλουθες κατευθύνσεις: Τη μελέτη του δομημένου περιβάλλοντος και των προβλημάτων που αυτό δημιουργεί (αύξηση θερμοκρασίας, συγκέντρωση αέριων ρύπων, δυσκολία στην κυκλοφορία αέρα) Τον σχεδιασμό των κτιρίων Την επιλογή των δομικών υλικών, λαμβάνοντας υπόψη τόσο τις θερμικές και οπτικές τους ιδιότητες, όσο και την τοξικολογική τους δράση. Το ζητούμενο στον βιοκλιματικό σχεδιασμό είναι η ανέγερση κτιρίων, π.χ. βιομηχανικών μονάδων, κτιρίων γραφείων, κτιρίων κατοικίας, σχεδιασμένων έτσι ώστε αφενός να καλύπτονται πλήρως οι ενεργειακές τους ανάγκες και αφετέρου να μην επιβαρύνεται το περιβάλλον με εκπομπές, βλαβερών για το περιβάλλον, αερίων. Επίσης, επιδιώκεται η ανέγερση κτιρίων των οποίων οι ενεργειακές ανάγκες στον τομέα της θέρμανσης και της ψύξης να καλύπτονται πλήρως μέσω συστημάτων εκμετάλλευσης των γεωθερμικών ενεργειακών πόρων, όπου η αναγκαία για τις αντλίες θερμότητας ηλεκτρική ενέργεια να παράγεται μέσω φωτοβολταϊκών στοιχείων. Τέλος, είναι επιθυμητή η ανέγερση κτιρίων στο πλαίσιο του συνήθους κόστους των κατασκευών, αλλά με σεβασμό στους περιορισμένους πόρους του φυσικού. Συνοπτικά, οι στόχοι που επιδιώκονται με τον βιοκλιματικό σχεδιασμό του κτιρίου είναι: Η εξασφάλιση ηλιασμού το χειμώνα Η προστασία από τους δυνατούς ανέμους του χειμώνα Η ελαχιστοποίηση των απωλειών θερμότητας το χειμώνα Η προστασία από τον ήλιο του καλοκαιριού Η εκμετάλλευση των δροσερών ανέμων το καλοκαίρι Η απομάκρυνση της πλεονάζουσας θερμότητας το καλοκαίρι Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας σε κτίρια Η ενσωμάτωση τεχνολογιών ανανεώσιμων πηγών ενέργειας σε ένα κτίριο μπορεί να συμβάλει στη βελτιστοποίηση της ενεργειακής απόδοσης του κτηρίου, καλύπτοντας ένα μεγάλο μέρος ή το σύνολο των αναγκών του χρήστη σε ενέργεια. Φωτοβολταϊκά Με την φωτοβολταϊκή τεχνολογία γίνεται εκμετάλλευση της ενέργειας της ηλιακής ακτινοβολίας και παράγεται ηλεκτρική ενέργεια στο σημείο χρήσης με μηδενική ρύπανση 24

25 της ατμόσφαιρας. Η ισχύς της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε μία επιφάνεια 1 m2 μια ηλιόλουστη μέρα μπορεί να φθάσει το 1 kw. Η ενέργεια η οποία προσπίπτει συνολικά σε ένα έτος σε μια επιφάνεια εξαρτάται από τη γεωγραφική θέση και το προσανατολισμό της επιφάνειας. Για τη περιοχή της Αθήνας, η τιμή της ετήσιας ενέργειας που προσπίπτει σε μια οριζόντια επιφάνεια 1 m2 κυμαίνεται περίπου στις 1500 kwh. Με δεδομένο ότι τα φωτοβολταϊκά πλαίσια που κυκλοφορούν στην αγορά μετατρέπουν περίπου το 11% της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική, ένα πλαίσιο επιφάνειας 1 m2 παράγει περίπου 110 Wp. Χαρακτηριστικό αυτής της τεχνολογίας είναι η μεγάλη διάρκεια ζωής των ηλιακών στοιχείων, η αθόρυβη λειτουργία και το μηδαμινό κόστος συντήρησης και λειτουργίας, ενώ υπάρχει η δυνατότητα επέκτασης του συστήματος ανάλογα με τις ενεργειακές απαιτήσεις. Οι κυριότερες εφαρμογές ενσωμάτωσης φωτοβολταϊκών σε κτίρια είναι: η κάλυψη ολόκληρης ή μέρους της οροφής, η χρήση τους σε γυάλινες προσόψεις, η χρήση τους σε επιφάνειες προστασίας από καιρικές συνθήκες, όπως στέγαστρα, σκίαστρα. [6] Για τη βέλτιστη λειτουργία των φωτοβολταϊκών σε ένα κτίριο πρέπει να ληφθούν υπόψη τα εξής: νότιος προσανατολισμός της θέσης εγκατάστασης, με μικρές αποκλίσεις, κατάλληλη κλήση ως προς το οριζόντιο επίπεδο, μηδενική σκίαση στο χώρο τοποθέτησης των φωτοβολταϊκών. [7] Θερμικά ηλιακά συστήματα Τα θερμικά ηλιακά συστήματα εκμεταλλεύονται την ηλιακή ακτινοβολία για τη θέρμανση ζεστού νερού χρήσης, αλλά και για τη θέρμανση και τον κλιματισμό των χώρων. Θέρμανση ζεστού νερού χρήσης. Η χρήση των θερμικών ηλιακών συστημάτων για τη θέρμανση ζεστού νερού χρήσης είναι ευρέως διαδεδομένη στην Ελλάδα και χρησιμοποιείται στον οικιακό τομέα (π.χ. ηλιακός θερμοσίφωνας). Οι ηλιακοί θερμοσίφωνες διακρίνονται σε ανοιχτού και κλειστού κυκλώματος. Οι θερμοσίφωνες κλειστού κυκλώματος λειτουργούν με αντιψυκτικό και αντέχουν στις χαμηλές θερμοκρασίες του χειμώνα οπότε και δεν καταστρέφονται οι ηλιακοί συλλέκτες. Η μέση ετήσια ωφέλιμη θερμική ενέργεια που παράγεται από τον ηλιακό θερμοσίφωνα είναι περίπου 1500kWhth. Θέρμανση και ζεστό νερό χρήσης Συστήματα combi. Τα συστήματα combi χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ζεστού νερού χρήσης και τη θέρμανση των χώρων. Στα συστήματα combi το νερό θέρμανσης των χώρων θερμαίνεται από τους ηλιακούς συλλέκτες και αποθηκεύεται σε ένα δοχείο θερμού νερού. Το ζεστό νερό χρήσης αποθηκεύεται σε ένα δεύτερο δοχείο θερμού νερού μικρότερου όγκου. Επίσης, χρησιμοποιείται και ένας συμβατικός λέβητας ή ένας λέβητας βιομάζας ως εφεδρική μονάδα κεντρικής θέρμανσης, ώστε να θερμαίνει το νερό όταν η ηλιακή ενέργεια δεν επαρκεί. Τα συστήματα combi έχουν μέγιστη απόδοση όταν λειτουργούν σε θερμοκρασίες o C, άρα λειτουργούν βέλτιστα 25

26 σε συνδυασμό με fan-coils, ενδοδαπέδια ή ενδοτοίχια θέρμανση. Ωστόσο, είναι δυνατή και η λειτουργία τους σε συνδυασμό με τυπικά θερμαντικά σώματα σε θερμοκρασίες o C. Στα υφιστάμενα κτίρια το σύστημα combi μπορεί να συνδυαστεί με τον υφιστάμενο λέβητα συμβατικού καυσίμου και τα υπάρχοντα θερμαντικά σώματα. Η μέση ετήσια ωφέλιμη θερμική ενέργεια που παράγεται από αυτό το σύστημα είναι περίπου 10000kWhth. Κατά τους καλοκαιρινούς μήνες, υπάρχει η δυνατότητα εκμετάλλευσης της περίσσειας θερμικής ηλιακής ενέργειας για τον κλιματισμό των χώρων με χρήση ψυκτικής μηχανής. [7] Μικρές ανεμογεννήτριες Για την ικανοποίηση των οικιακών καταναλώσεων, σε μη αστικές περιοχές, εγκαθίστανται σήμερα μικρές ανεμογεννήτριες (400W-3kW). Για την εγκατάστασή τους απαιτείται μια έκταση γύρω από αυτές χωρίς εμπόδια, ώστε να μην επηρεάζεται η λειτουργία τους και να είναι εκτεθειμένες στον άνεμο. Η ισχύς της ανεμογεννήτριας που θα εγκατασταθεί, εξαρτάται από τις ανάγκες σε ηλεκτρική ενέργεια που πρόκειται να καλυφθούν. Οι διαστάσεις της Α/Γ εξαρτώνται κυρίως από την ονομαστική της ισχύ. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι για μια ανεμογεννήτρια εγκατεστημένης ισχύος 400W-3kW, η διάμετρος της φτερωτής είναι από 1,15m-4,5m. Ο συνδυασμός των μικρών Α/Γ και φωτοβολταϊκών συστοιχιών ενισχύει την αυτονομία του συστήματος, εξασφαλίζοντας ένα σύστημα με μικρότερη ανάγκη για αποθήκευση, όταν επικρατεί συννεφιά ή άπνοια. [7] Βιομάζα Η βιομάζα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας. Μπορεί επίσης, με φυσική, θερμοχημική ή βιοχημική μετατροπή, να μετατραπεί σε βιοκαύσιμα σε στερεή, αέρια ή υγρή μορφή. Στον οικιακό τομέα η κύρια χρήση της βιομάζας είναι η καύση της για θέρμανση και παραγωγή ζεστού νερού χρήσης. Για τη καύση βιομάζας μπορούν να χρησιμοποιηθούν: τυπικό τζάκι με απόδοση 20-30%, ενεργειακό τζάκι που θερμαίνει και άλλους χώρους ή νερό με απόδοση 80-85%, σόμπα ξύλου ή pellets με απόδοση 90%, λέβητας ξύλου ή pellets για κεντρική θέρμανση με απόδοση 70-90%. [7] Η τελευταία επιλογή αποτελεί μία δοκιμασμένη, οικονομικά βιώσιμη και φιλική προς το περιβάλλον τεχνολογία για τη θέρμανση των κτιρίων του τριτογενή τομέα με ξύλα. Τα καύσιμα από ξύλο είναι εγχώρια, ακατέργαστα υλικά με αξιόπιστη διανομή και λογικές τιμές. Τα σύγχρονα συστήματα θέρμανσης με ξύλο λειτουργούν ακριβώς όπως τα συμβατικά συστήματα με πετρέλαιο και αέριο. Ωστόσο, έχουν κάποιες σημαντικές απαιτήσεις όσον αφορά το κτίριο. Έτσι είναι μεγάλο πλεονέκτημα αν ένα κτίριο έχει σχεδιαστεί και κατασκευαστεί λαμβάνοντας υπόψη αυτές τις απαιτήσεις. Τα συστήματα θέρμανσης με ξύλο μπορούν να χωριστούν σε αυτόματα και μη αυτόματα (χειροκίνητα) συστήματα λειτουργίας. Τα χειροκίνητα συστήματα θα πρέπει να τροφοδοτούνται από τον άνθρωπο και ενδείκνυνται κυρίως για μικρά κτίρια. Για την θέρμανση μεγαλύτερων κτιρίων 26

27 θα πρέπει να χρησιμοποιούνται μόνο αυτόματα συστήματα. Οι ξύλινοι κύλινδροι και τα ρινίσματα είναι τα δύο πιο κατάλληλα καύσιμα για αυτόματη πυροδότηση των συστημάτων θέρμανσης στα μεγάλα κτίρια. [8] Τηλεθέρμανση Ο όρος τηλεθέρμανση αναφέρεται στην παροχή και μεταφορά θερμικής ενέργειας υπό μορφή θερμού ή υπέρθερμου νερού ή ατμού από μία κεντρική μονάδα παραγωγής προς έναν αριθμό περιφερειακών καταναλωτών, μέσω ενός δικτύου αγωγών μεταφοράς. Ένα σύστημα τηλεθέρμανσης αποτελείται από το σταθμό παραγωγής της θερμότητας, το δίκτυο διανομής του θερμαίνοντος μέσου, τους υποσταθμούς σύνδεσης και τις εσωτερικές εγκαταστάσεις θέρμανσης των κτιρίων.[8] Γεωθερμία Οι εφαρμογές της γεωθερμικής ενέργειας στον κτιριακό τομέα ποικίλλουν ανάλογα με τη θερμοκρασία του διαθέσιμου ρευστού. Για θερμοκρασίες μεγαλύτερες των 90oC, οι εφαρμογές είναι: η ηλεκτροπαραγωγή, η ψύξη και ο κλιματισμός με αντλίες ρόφησης, η θέρμανση χώρων με σωλήνες καλοριφέρ, η παραγωγή ζεστού νερού σε μπόιλερ και η αφαλάτωση του θαλασσινού νερού (π.χ. για χρήση σε ξενοδοχεία κ.λ.π.). Για μικρότερες θερμοκρασίες υπάρχουν εφαρμογές, όπως η θέρμανση χώρων με αερόθερμα νερού ή ενδοδαπέδιο σύστημα, η παραγωγή ή η προθέρμανση ζεστού νερού με εναλλάκτη θερμότητας και τα θερμά λουτρά. Για θερμοκρασίες μικρότερες των 40oC, χρησιμοποιούνται αντλίες θερμότητας για θέρμανση και κλιματισμό. [6] Συμπαραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας (ΣΗΘ) Συμπαραγωγή είναι η διαδοχική (ταυτόχρονη) παραγωγή και εκμετάλλευση δύο μορφών ενέργειας, ηλεκτρικής (ή μηχανικής) και θερμικής από ένα σύστημα μηχανών με τη χρήση του ίδιου καύσιμου. Αυτή η πρακτική έρχεται σε αντίθεση με την κοινή, όπου η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται σε ένα κεντρικό σταθμό, ενώ χρησιμοποιείται επιτόπιος εξοπλισμός θέρμανσης και ψύξης για την κάλυψη των αναγκών σε μη ηλεκτρική ενέργεια. Η θερμική ενέργεια που ανακτάται σε ένα σύστημα ΣΗΘ μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη θέρμανση ή ψύξη στη βιομηχανία ή τα κτίρια. Επειδή η ΣΗΘ εκμεταλλεύεται τη θερμότητα που σε άλλη περίπτωση θα χανόταν κατά τη συμβατική διακριτή παραγωγή ηλεκτρικής ή μηχανικής ενέργειας, η συνολική απόδοση αυτών των ολοκληρωμένων συστημάτων είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή των μεμονωμένων συστημάτων. [9] Πλεονεκτήματα συμπαραγωγής. Η επιτυχής εγκατάσταση ΣΗΘ οδηγεί σε μείωση κατανάλωσης καυσίμου της τάξεως του 25%. Στο επίπεδο του χρήστη τα οφέλη είναι καθαρά οικονομικά, διότι το κόστος ενέργειας μειώνεται σε σχέση με τις συμβατικές 27

28 μονάδες. Σε επιτυχημένες εγκαταστάσεις ΣΗΘ η μείωση των τιμών είναι 20% έως 30%. Επίσης αυξάνεται η αξιοπιστία ενεργοδότησης. Ο σταθμός ΣΗΘ ενωμένος με το ηλεκτρικό δίκτυο, όπου δίνει ή παίρνει ηλεκτρισμό εγγυάται απρόσκοπτη λειτουργία σε επίπεδο μονάδας, σε περίπτωση διακοπής λειτουργίας του σταθμού ή διακοπή ηλεκτροδότησης από το δίκτυο. Σε επίπεδο χώρας, μειώνει την ανάγκη εγκατάστασης μεγάλων σταθμών ηλεκτροπαραγωγής και αυξάνει την ευστάθεια του ηλεκτρικού συστήματος της χώρας. Η συμπαραγωγή μπορεί να επιτευχθεί με χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (π.χ. βιομάζα) υποκαθιστώντας συμβατικά καύσιμα. Οι βασικές γνωστές τεχνολογίες συμπαραγωγής είναι: αεριοστρόβιλος (κύκλος Brayton), ατμοστρόβιλος (κύκλος Rankine), συνδυασμένος κύκλος, παλινδρομική μηχανή εσωτερικής καύσης (κύκλος Diesel ή Otto), στοιχεία καυσίμου (Fuel Cells). [6] Εικόνα 2.1 Τα κοινά χαρακτηριστικά του πράσινου και του έξυπνου σπιτιού Το «έξυπνο» κτίριο Με τον όρο «έξυπνα κτίρια» περιγράφονται ηλεκτρικές εγκαταστάσεις που τοποθετούνται σε σπίτια με σκοπό να προσφέρουν άνεση, ασφάλεια και εξοικονόμηση 28

29 ενέργειας και χρημάτων στους ενοίκους. Οι έξυπνες εγκαταστάσεις αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον χρησιμοποιώντας ένα μέσο επικοινωνίας με τη βοήθεια του οποίου ανταλλάσσουν δεδομένα προκειμένου να διεξάγουν κάποιες λειτουργίες όπως να ενεργοποιήσουν το φωτισμό ενός χώρου ή να ρυθμίσουν τη θερμοκρασία. Έξυπνα συστήματα εγκαθίστανται και σε εμπορικές εφαρμογές όπου αναφέρονται με τον όρο «αυτοματισμοί κτιρίων» (building automation). Τα έξυπνα συστήματα μπορούν να ελέγχουν εκτός από τις ηλεκτρολογικές εγκαταστάσεις, τις μηχανολογικές εγκαταστάσεις αλλά και ηλεκτρικές συσκευές και συσκευές πολυμέσων (multimedia) δημιουργώντας ένα ενοποιημένο σύστημα. Στις τελευταίες εντάσσονται οι συσκευές τηλεπικοινωνιών, τα ηχοσυστήματα, οι τηλεοράσεις του κτιρίου και συστήματα προβολής (πχ σε αίθουσες συνεδριάσεων). Συνδυάζοντας όλες αυτές τις ανεξάρτητες, αρχικά, εγκαταστάσεις σε μία κοινή βάση αποκτάται πλήρης έλεγχος του κτιρίου, οποίος μπορεί να διεξαχθεί ακόμα και από μακριά. Τα πλεονεκτήματα που προκύπτουν από τον αποτελεσματικό συντονισμό των συστημάτων αφορούν στη διευκόλυνση της καθημερινότητας των χρηστών. Η βελτίωση της ποιότητας ζωής και εργασίας των ανθρώπων, έπειτα από κατάλληλο προγραμματισμό του συστήματος, συνοδεύεται από εξοικονόμηση της καταναλισκόμενης ενέργειας, ενώ τα έξυπνα συστήματα είναι δυνατό να εξασφαλίσουν ασφαλέστερες συνθήκες χρήσης των χώρων ενός κτιρίου. Κάποια ενδεικτικά παραδείγματα σχετικά με τους τρόπους που επιτυγχάνονται αυτοί οι στόχοι είναι τα εξής: Ασφάλεια Α) Σε βλάβες στον εξοπλισμό και την λειτουργία του υπάρχει δυνατότητα διάγνωσης, τηλεειδοποίησης αλλά και αυτοδιαχείρισης σε περιπτώσεις: Βραχυκυκλώματος, διακοπής ρεύματος από τη ΔΕΗ, πτώση τάσης. Διακοπή λειτουργίας του ψυγείου. Πλημμύρας (οπότε διακόπτει την κεντρική παροχή του νερού αλλά και τη ηλεκτροδότηση προς της βασικές ηλεκτρικές καταναλώσεις) Πυρκαγιάς (οπότε ανοίγει την ηλεκτροβάνα της κεντρικής παροχής, διακόπτει τον εξαερισμό και την τροφοδοσία ορισμένων ηλεκτρικών φορτίων, ανοίγει την εξώπορτα και ορισμένα από τα ρολά, ειδοποιεί την πυροσβεστική και ενεργοποιεί το σύστημα κατάσβεσης εφόσον υπάρχει κάτι τέτοιο στο σπίτι) Ισχυρού ανέμου (ανεβάζει τις τέντες) Υπερθέρμανσης ηλεκτρικού πίνακα και Ζεστού Νερού Χρήσης, Παγετού (θέτει σε λειτουργία καυστήρα, επανακυκλοφορία και πότισμα σε τακτά χρονικά διαστήματα) Βροχής (διακόπτει το πότισμα) Υπερβολικής υγρασίας (αποφεύγει το σημείο κορεσμού των υδρατμών σε σχέση με την κρίσιμη θερμοκρασία είτε για το πάτωμα είτε για τους τοίχους, θέτοντας σε λειτουργία τον εξαερισμό ή την θέρμανση ανάλογα με τις ανάγκες). Β) Των ενοίκων, εργαζομένων ή επισκεπτών του κτιρίου, δίνοντας την δυνατότητα στον χρήστη: 29

30 να διακόπτει την παροχή ρεύματος σε ορισμένες ή όλες τις πρίζες (πχ προκειμένου να προστατέψει μικρά παιδιά από κίνδυνο ηλεκτροπληξίας αλλά και τις Stand-By συσκευές, όταν το επιθυμεί, ή αυτόματα όταν πηγαίνει για ύπνο). να ειδοποιείται όταν βρίσκεται εντός ή εκτός του κτιρίου για πλημμύρα, συναγερμό παραβίασης, πυρκαγιά, ισχυρό άνεμο, υπερθέρμανση Ζεστού Νερού Χρήσης ή Ηλεκτρικού πίνακα, παγετού, βροχής και επικίνδυνης υγρασίας σε σχέση με τη θερμοκρασία. να αποτρέπει τον εισβολέα όταν εκείνος απουσιάζει με προκαθορισμένους ήχους, σενάρια φωτισμού, ρολών, καθώς και να ειδοποιεί το κέντρο λήψεως σημάτων, την αστυνομία και την πυροσβεστική και θέτει σε λειτουργία την κατάσβεση. Άνεση Ο ένοικος μπορεί να διαχειριστεί τις κύριες ηλεκτρικές, θερμικές αλλά και τηλεπικοινωνιακές λειτουργίες του κτιρίου, από μπουτόν, τηλεχειριστήριο, οθόνη αφής, ηλεκτρονικό υπολογιστή, όσο βρίσκεται εντός του κτιρίου, και από σταθερό τηλέφωνο, κινητό τηλέφωνο (SMS), ηλεκτρονικό υπολογιστή (internet) με δυνατότητα οπτικοποίησης όλων των λειτουργιών του κτιρίου) όσο απουσιάζει από αυτό. Υπάρχουν λειτουργίες που γίνονται αυτόματα προγραμματίζοντας τον εγκέφαλο στο κεντρικό σύστημα του αυτοματισμού όπως το πότισμα (ρύθμιση ωρών ή διακοπή σε περίπτωση βροχής) η ανακυκλοφορία Ζεστού Νερού Χρήσης (με το άνοιγμα της πόρτας του WC και όσο βρισκόμαστε μέσα στο WC με χρονική εναλλαγή) με το πάτημα του γενικού off, κλείσιμο όλων των ρολών (το ένα μετά το άλλο ακολουθιακά), του φωτισμού (με χρονοκαθυστέρηση ορισμένων ζωνών μέχρι να αποχωρίσουμε), των Stand-by συσκευών αλλά και της θέρμανσης ψύξης εξομοίωση κατοίκησης (γράφοντας στη μνήμη του ορισμένες από τις ενέργειες τις καθημερινότητάς μας και επαναλαμβάνοντάς τες όσο εμείς απουσιάζουμε) όπλιση και αφόπλιση του συναγερμού και άνοιγμα κλείσιμο της εξώπορτας ή γκαραζόπορτας μέσω ενός μπρελόκ ενδείξεις επιβεβαίωσης στα μπουτόν (για τη λειτουργία ή μη ορισμένων φορτίων, alarm ή ζωνών φωτισμού εντός ή εκτός κτιρίου) αυτόματη ρύθμιση της φωτεινότητας με βάση το φυσικό φωτισμό σενάρια φωτισμού για ειδικές περιστάσεις (γιορτές, ρομαντικές καταστάσεις, περισυλλογή, home cinema κλπ) δυνατότητα να ανοίξουμε σε δικό μας άνθρωπο την γκαραζόπορτα ή ακόμη και την κεντρική πόρτα μέσω κινητού τηλεφώνου δυνατότητα παράκαμψης να ανάβουν τα φώτα μέσω μπουτόν ή τηλεχειριστηρίου παρόλο που μας έχει εντοπίσει ο ανιχνευτής κίνησης (τα αισθητήρια κίνησης ή παρουσίας είναι ίδια και για το συναγερμό παραβίασης αλλά και για τον έλεγχο φωτισμού και κλιματισμού) δυνατότητα να βλέπουμε από μακριά εικόνα από τις κάμερες του κτιρίου 30

31 δυνατότητα τηλεχειρισμού όλων φορτίων με δυνατότητα επιβεβαίωσης αλλά και χειρισμού των συστημάτων ήχου και εικόνας (δορυφορικά κανάλια, δορυφορικό internet και κάμερες χωρίς απαραίτητα τη χρήση συμβατικής θυροτηλεόρασης) μέσω τηλεχειριστηρίου ή οθόνης αφής διευκόλυνση σε ηλικιωμένα άτομα ή άτομα με κινητικά προβλήματα μέσω τηλεχειρισμού. Εξοικονόμηση Ενέργειας Σκίαση. Η σκίαση είναι ο καλύτερος σύμμαχος το καλοκαίρι ενάντια στο ήλιο. Φωτισμός (Day-light control). Ένα σύστημα που «σκέφτεται» μας αποτρέπει να τον χρησιμοποιούμε όταν δεν τον χρειαζόμαστε, να κάνει πραγματική εξοικονόμηση ενέργειας όταν είναι ρυθμιζόμενης έντασης (dimming), να αυτορυθμίζεται ο τεχνητός φωτισμός με βάση τον φυσικό φωτισμό ώστε να κρατάει σταθερά τα lux στην επιφάνεια εργασίας που επιθυμούμε χωρίς τη δική μας παρέμβαση (Day-light control). Free cooling, Αερισμός, πρόψυξη, προθέρμανση. Σίγουρα ένα σύστημα που σκέφτεται, φροντίζει έξυπνα να προκλιματίζει τον εσωτερικό χώρο, γνωρίζοντας τις εξωτερικές συνθήκες θερμοκρασίας-υγρασίας, ανέμου ή βροχής, οπότε εξοικονομεί ενέργεια αφού θέτει για λιγότερο χρόνο τον κλιματισμό σε λειτουργία και φροντίζει να ανανεώνει τον αέρα με φρέσκο όταν αυτό επιβάλλεται. Το ίδιο φροντίζει τις ζεστές μέρες του χειμώνα, οπότε η θέρμανση λειτουργεί όσο πρέπει. Μέτρηση Ενέργειας. Ένα κτίριο σπίτι μετράει τα πάντα. Η ενέργεια λοιπόν είναι αυτό που θα πρέπει να μας απασχολεί συνεχώς, είτε είμαστε παραγωγοί (και άρα διαθέτουμε φωτοβολταϊκή συστοιχία ή ανεμογεννήτρια), είτε είμαστε απλοί καταναλωτές. Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας. Οι νέες γενιές κτιρίων παράγουν ενέργεια ενώ ταυτόχρονα καταναλώνουν ελάχιστη ενέργεια. Σίγουρα αυτό εξαρτάται βέβαια και από το βαθμό ευφυΐας του κτιρίου. Ένα σύστημα ΑΠΕ είναι ουσιαστικά ένα σύστημα παραγωγής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές όπως ο ήλιος, το νερό και ο άνεμος, για το οποίο θα πρέπει να είμαστε ενήμεροι για την ομαλή ή μη λειτουργία του, αλλά και για τη σωστή και έλλογη χρήση των φορτίων του κτιρίου (πχ σε ένα σύστημα αυτόνομης φωτοβολταϊκής εγκατάστασης πατώντας το μπουτόν για μία συνήθη λειτουργία, θα εκτελεστεί, μόνο όταν το σύστημα διαθέτει αποθηκευμένη ενέργεια για να υλοποιηθεί η επιθυμητή λειτουργία, ενώ σε περίπτωση που ο αυτοματισμός δεν επιτρέπει την λειτουργία αυτή λόγω έλλειψης ενέργειας και εμείς παρόλα αυτά θέλουμε να κάνουμε να λειτουργήσει, τότε με μακρύ παρατεταμένο πάτημα του μπουτόν κόβει τα μη κρίσιμα φορτία που εμείς του έχουμε ορίσει και την εκτελεί. Συνδυασμός συστήματος ψύξης-θέρμανσης με τη χρήση τρίοδης βάνας και θερμικών ηλιακών συστημάτων. Είναι αδύνατο να συνδυάσουμε ψύξη και θέρμανση σε μία κατοικία με τη χρήση θερμικών ηλιακών συστημάτων χωρίς τη χρήση αυτοματισμού. Ομοίως ο ρόλος του αυτοματισμού στην χρήση της 31

32 τρίοδης βάνας είναι προϋπόθεση για τη λειτουργία της και επομένως την εξοικονόμηση ενέργειας. Εξασφάλιση θερμικής άνεσης χωρίς απώλειες λόγω αδράνειας. - αν ο ένοικος φύγει από ένα δωμάτιο και ξεχάσει το κλιματιστικό αναμμένο, η ενέργεια σπαταλιέται χωρίς λόγο. Κάποιες φορές, μάλιστα, αφήνει και το παράθυρο ανοιχτό, οπότε η σπατάλη μεγαλώνει. Θα θέλαμε τότε, εάν το παράθυρο παραμείνει ανοιχτό, μετά από εύλογο χρόνο για τον αερισμό του δωματίου, να μπορούσε το ρολό να κατεβαίνει και το κλιματιστικό να σβήσει αυτόματα. - αν το παράθυρο είναι κλειστό, αλλά δεν υπάρχει κανείς στο δωμάτιο για αρκετή ώρα, θα θέλαμε η θερμοκρασία του δωματίου να χαμηλώνει αυτόματα το χειμώνα μέχρι τους 18 ο C ή ν' ανεβαίνει το καλοκαίρι μέχρι τους 28οC, ώστε όταν ξαναμπεί κάποιος στο δωμάτιο, σε σύντομο χρονικό διάστημα, ο χώρος ν' αποκτήσει πάλι την επιθυμητή θερμοκρασία άνεσης. - οι αισθητήρες εξωτερικής θερμοκρασίας, έντασης ανέμου και ηλιακής ακτινοβολίας αντιλαμβάνονται π.χ. το χειμώνα ότι οι συνθήκες θα είναι για το επόμενο διάστημα ήπιες. Αμέσως τότε κλείνουν τη θέρμανση, πριν η εσωτερική θερμοκρασία φτάσει τη τιμή του θερμοστάτη. Αυτό το φαινόμενο συμβαίνει πάρα πολλές φορές στη Ελλάδα, και το κτίριο λόγω της σχετικής του θερμοκρασιακής αδράνειας δεν αντιλαμβάνεται εγκαίρως στο εσωτερικό ότι υπάρχει διαφορά των εξωτερικών συνθηκών Σύστημα Ενεργειακής Διαχείρισης Κτιρίου (BEMS) Η εγκατάσταση ενός συστήματος ενεργειακής διαχείρισης (Building Energy Management System BEMS) έχει σκοπό την επιτήρηση ή και τον αυτόματο έλεγχο των ηλεκτρολογικών και μηχανολογικών εγκαταστάσεων ενός κτιρίου. Έτσι είναι δυνατή η ρύθμιση παραμέτρων και η ανάλυση δεδομένων όλων των εγκαταστάσεων από ένα σταθμό ελέγχου. Παράλληλα, είναι δυνατή η παρακολούθηση και καταγραφή της ενεργειακής συμπεριφοράς των συστημάτων που είναι εγκατεστημένα στο κτίριο, καθώς και η δημιουργία αρχείου με στατιστικά στοιχεία. Το σύστημα βασίζεται σε διάφορα πρωτόκολλα επικοινωνίας. Τα σημαντικότερα συστήματα που μπορεί να παρακολουθεί και να ελέγχει ένα σύστημα ενεργειακής διαχείρισης σε ένα κτίριο είναι τα εξής: Συστήματα κλιματισμού - θέρμανσης Παθητικά συστήματα (αίθρια, αερισμός κλπ.) Ανοίγματα, σκίαστρα κλπ. Εγκατάσταση φωτισμού Συστήματα δροσισμού Ηλεκτρικές καταναλώσεις 32

33 Ποιότητα αέρα Εγκαταστάσεις ασφαλείας Το σύστημα αποτελείται από τον κεντρικό σταθμό παρακολούθησης και ελέγχου, τα αισθητήρια όργανα, τις συσκευές εκτέλεσης εντολών και τις συνδετήριες καλωδιώσεις. Ο προγραμματισμός και ο χειρισμός του συστήματος γίνεται μέσω του κεντρικού σταθμού ελέγχου. Σε ορισμένους τομείς, η λειτουργία και η επιλογή διαφόρων καταστάσεων λειτουργίας γίνεται μέσω επιμέρους χειριστηρίων, τα οποία διαθέτουν ανάλογους επιλογείς. Η εγκατάσταση συστήματος ενεργειακής διαχείρισης αποτελεί συμπληρωματική παρέμβαση σε συνδυασμό με άλλα μέτρα βελτίωσης της ενεργειακής απόδοσης ενός κτιρίου και όχι μεμονωμένη. [10] Τα Οφέλη του συστήματος Με τα συστήματα ενεργειακής διαχείρισης κτηρίων BEMS προσφέρεται εξοικονόμηση ενέργειας της τάξης του 15-20% για θέρμανση, ψύξη και αερισμό, ενώ για το φωτισμό η εξοικονόμηση ενέργειας μπορεί να φτάσει και το 50-60%. Έτσι έχουμε μείωση του ενεργειακού κόστους και, συνεπώς, χαμηλότερες λειτουργικές δαπάνες. Επίσης παρέχεται η δυνατότητα αυτόματης περικοπή φορτίων και διαχείρισης φορτίων αιχμής που επιβαρύνουν το ενεργειακό κόστος. Ενώ σημαντική είναι η βελτίωση του ανθρώπινου περιβάλλοντος, ειδικά του χώρου εργασίας. Ακόμα, έχουμε μεγαλύτερη κτιριακή λειτουργικότητα και οικονομία. Επιπλέον τα σύγχρονα συστήματα BEMS: Έχουν τεράστια ευελιξία και προσαρμόζονται εύκολα στις απαιτήσεις του χρήστη και όχι ο χρήστης στις απαιτήσεις της εγκατάστασης. Παρέχουν εργαλεία για διευκόλυνση χρήσης Δίνουν τη δυνατότητα να πραγματοποιηθούν πολλές αλληλοεξαρτώμενες λειτουργίες εύκολα και απλά, αλλά και επεμβάσεις συντήρησης και αποκατάστασης βλαβών Αποφασίζουν για λειτουργίες και εντολές με λογική και τάξη Μπορούν να λειτουργήσουν με τηλεχειρισμό, είτε τοπικό είτε μέσω τηλεφώνου ή Internet Προσφέρουν πλήρη και ταχεία απόκριση σε πληθώρα μετρημένων δεδομένων και δυνατότητα ταυτόχρονης επεξεργασίας αυτών Παρέχουν μέγιστη ακρίβεια υπολογισμών, αυτόματη ανάλυση ενεργειακών δεδομένων, πρόβλεψη ενεργειακής ζήτησης και παρουσίαση αναφορών με επεξεργάσιμα γραφικά αποτελέσματα Προσφέρουν αδιάλειπτη καταγραφή ενεργειακών παραμέτρων με αναφορά σχετικών ιστορικών στοιχείων Είναι εργαλείο συνεχούς ενημέρωσης του ενεργειακού διαχειριστή για τη λήψη κρίσιμων αποφάσεων σχετικών με τη λειτουργία και απόδοση των ελεγχόμενων συστημάτων, αλλά και με τη συμπεριφορά των χρηστών του κτιρίου και την παροχή υπηρεσιών σε αυτό 33

34 Προσφέρουν πληθώρα ενδείξεων, πληροφοριών κτλ Είναι σχεδιασμένα με προδιαγραφές αισθητικής και τοποθετούνται προσεκτικά στο χώρο με αποτέλεσμα να δίνουν μια αρμονική εικόνα Τα επακόλουθα οφέλη από την χρήση ενός συστήματος ενεργειακής διαχείρισης του κτιρίου είναι: Παροχή πληροφοριών στη διοίκηση του φορέα του κτηρίου ώστε να ληφθούν αποφάσεις για την αξιοποίηση ακινήτων και για σχετικές νέες επενδύσεις Επιβεβαίωση και ορθολογική κατανομή τιμολογίων ενέργειας Καθορισμός μελλοντικών προϋπολογισμών Ενημέρωση υπευθύνων διαφόρων τμημάτων του φορέα Προσδιορισμός νέων δυνατοτήτων εξοικονόμησης ενέργειας και επιτεύξιμων ενεργειακών στόχων Ακριβής μέτρηση ενεργειακού οφέλους από υφιστάμενα μέτρα εξοικονόμησης ενέργειας Διασφάλιση ορθολογικής λειτουργίας και συντήρησης των κτιριακών εγκαταστάσεων Ευαισθητοποίηση των χρηστών του κτιρίου μέσω της κοινοποίησης των ενεργειακών αναφορών που σχετίζονται με τη συμπεριφορά τους Οι κύριες λειτουργιές του συστήματος Λειτουργία αυτομάτου ελέγχου Η λειτουργία αυτόματου ελέγχου επιτρέπει την επισκόπηση της κατάστασης και τη ρύθμιση της απόδοσης κάθε ελεγχόμενου ενεργειακού συστήματος, καθώς και τη διαχείριση των ενεργειακών φορτίων των κτιρίων. Ο έλεγχος εκτελείται από προγραμματιζόμενες μονάδες πολλών δράσεων και πολλαπλού σκοπού. οι οποίες συνδέονται με πλήθος αισθητήρων και στοιχείων ρύθμισης και διακοπής, μέσω ενός δικτύου επικοινωνιών υψηλής απόδοσης. Λειτουργία συλλογής και επίδειξης δεδομένων Η λειτουργία συλλογής και επίδειξης δεδομένων επιτρέπει τη μέτρηση και την αναφορά διαφόρων παραμέτρων που σχετίζονται με την ενεργειακή απόδοση και την κατάσταση των ελεγχόμενων συστημάτων. Επίσης επιτρέπει την πρόβλεψη της ενεργειακής ζήτησης ενός κτηρίου με βάση ιστορικά μετρημένα δεδομένα. Όλα τα δεδομένα που συλλέγονται μεταφέρονται και επιδεικνύονται σε τερματικές μονάδες υπολογιστών. 34

35 Λειτουργία ασφαλείας Η λειτουργία ασφαλείας αποσκοπεί στον εντοπισμό των προβλημάτων δυσλειτουργίας των ελεγχόμενων συστημάτων, ώστε να ενεργοποιηθούν άμεσα διορθωτικές δράσεις για την αποφυγή ατυχημάτων και να απενεργοποιηθούν κύρια μηχανήματα. Οι λειτουργίες αυτές εκτελούνται με τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Παρακολούθηση με σήματα ψηφιακού τύπου εισόδου (DI) για την ανίχνευση καταστάσεων οn/off (π.χ. λειτουργία κινητήρων, άνοιγμα παραθύρων κλπ) Έλεγχος με σήματα ψηφιακού τύπου εξόδου (DO) για την έναρξη/στάση λειτουργίας εξοπλισμού (φωτιστικά, ανεμιστήρες, κυκλοφορητές, κλπ) Παρακολούθηση με σήματα αναλογικού τύπου εισόδου (ΑΙ) για την λήψη των τιμών μίας ελεγχόμενης μεταβλητής (θερμοκρασία, υγρασία, μέγιστη ηλεκτρική ζήτηση, θέση διαφράγματος, βαλβίδας, σκιάστρου κλπ.) Έλεγχος με σήματα αναλογικού τύπου εξόδου (ΑΟ) για την προσαρμογή απομακρυσμένων διατάξεων (θέση διαφράγματος, βαλβίδας, σκιάστρου, διαβαθμιστών φωτισμού κλπ) και σημείων ρύθμισης (set points) Καταμέτρηση μεγεθών με σήματα παλμικού τύπου (PI) (κατανάλωση πετρελαίου, ηλεκτρισμού κλπ) Καταγραφή ωραρίων λειτουργίας εξοπλισμού Ενεργοποίηση οπτικών και ακουστικών συναγερμών στην περίπτωση παρέκκλισης από προκαθορισμένα όρια φυσιολογικής λειτουργίας Αυτόματη διασύνδεση λειτουργίας σημείων ελέγχου σε σχέση με άλλα Χρονικός προγραμματισμός για την καταγραφή ειδικών δραστηριοτήτων σε χρονική βάση λεπτού, ώρας ή ημέρας Η δομή του συστήματος Σύμφωνα και με τα αναφερθέντα, ένα σύγχρονο BEMS αποτελείται από έναν Κεντρικό Σταθμό Ελέγχου (ΚΣΕ) ο οποίος συνδέεται, μέσω αυτοδύναμων Ελεγκτών Συντονισμού Συστημάτων (ΕΣΣ), Προσαρμογέων Μεταφοράς Δεδομένων (ΠΜΔ) και ενός δικτύου επικοινωνιών υψηλών ταχυτήτων, με ένα σύνολο Αποκεντρωμένων Μονάδων Επεξεργασίας Δεδομένων (ΑΜΕΔ) και μέσω αυτών με όλες τις τελικές διατάξεις ελέγχου, όπως αισθητήρια θερμοκρασίας, υγρασίας, ροής, στάθμης, φωτός, κίνησης, θερμοστάτες, χρονοδιακόπτες, διακόπτες ροής και διαφορικής πίεσης, ωθητήρες βαλβίδων και διαφραγμάτων αέρα, ηλεκτρονόμους τηλεχειρισμού κινητήρων και τέλος μορφοτροπείς μέτρησης ηλεκτρικών μεγεθών. Οι ΑΜΕΔ περιλαμβάνουν προγραμματιζόμενους ελεγκτές (PLC), ανεξάρτητους ελεγκτές χώρων (IRC), μονάδες άμεσου ψηφιακού έλεγχου (DDC) και προσαρμόζονται στους πίνακες αυτοματισμού των διαφόρων ενεργειακών υποσυστημάτων. 35

36 Εικόνα 2.2. Επίπεδα διαχείρισης και ελέγχου ενός σύγχρονου BEMS Η στρατηγική ενεργειακής διαχείρισης ενός σύγχρονου BEMS περιλαμβάνει 3 επίπεδα: 1ο επίπεδο : Κεντρική Διαχείριση - (ΚΣΕ) 2ο επίπεδο : Συντονισμός Συστημάτων Αυτομάτου Ελέγχου - (ΕΣΣ, ΠΜΔ) 3ο επίπεδο : Αυτόματος Έλεγχος Λειτουργιών - (ΑΜΕΔ) Τα τρία αυτά επίπεδα είναι διατεταγμένα το ένα επάνω από το άλλο με αντίστοιχη λειτουργική κυριαρχία στο κατώτερο επίπεδο. Όμως το καθένα από αυτά τα επίπεδα μπορεί να λειτουργεί αυτόνομα Το λογισμικό του συστήματος Το λογισμικό ενεργειακής διαχείρισης και αυτομάτου ελέγχου (ΛΕΔΑΕ) είναι η καρδιά ενός σύγχρονου BEMS. Ένα ΛΕΔΑΕ περιλαμβάνει προγράμματα για την πρόσβαση στο σύστημα και τη διαχείριση της επικοινωνίας μεταξύ των στοιχείων του, αλλά και για την συνεχή παρακολούθηση της κατάστασης και της συντήρησης των ελεγχόμενων κτιριακών εγκαταστάσεων και χώρων καθώς και για την ενεργειακή ανάλυση όλων των σχετικών δεδομένων. 36

37 Εικόνα 2.3. Λογισμικό ενός σύγχρονου συστήματος διαχείρισης ενέργειας κτιρίου (BEMS) Τα προγράμματα αυτά περιλαμβάνουν τα ακόλουθα: Διαχείριση όλων των αλγορίθμων ελέγχου που εφαρμόζονται στο περιβάλλον πολλαπλών δράσεων του BEMS. Διαχείριση απομακρυσμένων περιοχών εποπτείας Διαχείριση κωδικών πρόσβασης για την επιλεκτική είσοδο σε ελεγχόμενα συστήματα, λειτουργίες και δεδομένα από συγκεκριμένους χειριστές Ταξινόμηση δεδομένων και διαχείριση επικοινωνιών Προγράμματα συνεχούς παρακολούθησης και ανάλυσης Τα προγράμματα αυτά περιλαμβάνουν: Διάγνωση και επίδειξη μεταφερόμενων δεδομένων και μηνυμάτων κατάστασης, γεγονότος, βλάβης, συναγερμού και συντήρησης σε περιβάλλον κυλιόμενων παραθύρων Επίδειξη προδιαγεγραμμένων ή ειδικών, σχεδιασμένων από το χρήστη, μηχανογραφικών αναφορών σε συγκεκριμένη χρονική βάση Επίδειξη διαγραμμάτων τάσεων δεδομένων σε συγκεκριμένη χρονική βάση Δυνατότητα σχεδιασμού και επίδειξη μιμικών διαγραμμάτων ροής Χρονικό προγραμματισμό ωραρίων λειτουργίας ελεγχόμενου εξοπλισμού Στατιστική ανάλυση σημαντικών δεδομένων Προγραμματισμό και διαχείριση προληπτικής και διορθωτικής συντήρησης 37

38 Το ΛΕΔΑΕ προσαρμόζει συνεχώς τις περιόδους εκκίνησης και τους τρόπους λειτουργίας των ελεγχόμενων εγκαταστάσεων, ώστε αυτές να προσαρμόζονται σε αλλαγές που διασφαλίζουν την αποδοτική χρήση της ενέργειας. Ο ενεργειακός έλεγχος πραγματοποιείται μέσα από την ακριβή γνώση και τη συστηματική καταγραφή των παραμέτρων ενεργειακής κατανάλωσης (ποσότητα καυσίμων και ηλεκτρισμού) και των παραγόντων που τις επηρεάζουν (δείκτες απόδοσης εξοπλισμού, προφίλ κατοίκησης, θερμοκρασία, υγρασία, ποιότητα αέρα και επίδραση ανέμου). Τα στοιχεία που συλλέγονται συγκρίνονται με τιμές-στόχους και διάφοροι τύποι ενεργειακών αναφορών παρουσιάζονται, όπως: Εβδομαδιαίες αναφορές όπου παρουσιάζονται οι πλέον σημαντικές πληροφορίες όπως οι τιμές της ενεργειακής κατανάλωσης ανά καύσιμο και χρήση ενέργειας, η απόκλιση των τιμών αυτών από καθορισμένες τιμές στόχους, τα ωράρια λειτουργίας του βασικού ενεργειακού εξοπλισμού, το προφίλ της ενεργειακής κατανάλωσης και βασικά κλιματολογικά στοιχεία. Μηνιαίες αναφορές που δείχνουν ενεργειακά δεδομένα και το ενεργειακό κόστος σε μορφή πίνακα ή γραφική για την αξιολόγηση των ενεργειακών τιμολογίων και το συσχετισμό της ενεργειακής κατανάλωσης με παραμέτρους (π.χ. βαθμοημέρες θέρμανσης και δροσισμού, θερμοκρασία κλπ) Ετήσιες αναφορές που περιλαμβάνουν ανοιγμένες τιμές ενεργειακών καταναλώσεων (π.χ. kwh/m2 κλπ.) και συνολικά στοιχεία κλιματολογικών και λειτουργικών παραμέτρων Εμπορικές λύσεις Στον τομέα των έξυπνων κτιρίων υπάρχουν εμπορικά προϊόντα που διαρκώς εξελίσσονται σύμφωνα με τις απαιτήσεις για τον έλεγχο των αυτοματισμών. Η ταχύτατα αναπτυσσόμενες τεχνολογίες της πληροφορικής ανοίγουν τον δρόμο σε μεγάλες εταιρείες που ασχολούνται με έξυπνες λύσεις στον κτιριακό αυτοματισμό να παρέχουν προϊόντα πολύ υψηλού επιπέδου με πολλές δυνατότητες. Τα συστήματα διαχείρισης κτιρίων (BMS) που διαθέτουν συνεργάζονται με μία πολύ μεγάλη συλλογή προϊόντων που τα καθιστά ικανά να καλύψουν όλες τις ανάγκες για τα σύγχρονα έξυπνα κτίρια. Στην συνέχεια παρουσιάζονται σύντομα κάποιες από τις ποιο δημοφιλείς εμπορικές λύσεις για έξυπνα κτίρια. 38

39 SIEMENS Instabus Συνοπτική τεχνική περιγραφή του συστήματος H κατασκευή έξυπνων κτιρίων είναι πλέον πραγματοποιήσιμη με τις νέες δυνατότητες τις οποίες προσφέρει το instabus EIB/KNX της Siemens[11]. Είναι ένα νέο ευρωπαϊκό αποκεντρωμένο σύστημα μμεταφοράς και επεξεργασίας δεδομένων για την ευέλικτη διαχείριση των λειτουργιών, oι οποίες αφορούν μια ηλεκτρική εγκατάσταση κτιρίου ειδικής ή γενικής χρήσης. Σε ένα δίκτυο-bus συνδέονται όλα τα ενεργά μέρη του συστήματος όπως: Αισθητήρες (διακόπτες, μπουτόν, αισθητήρια φωτός, αισθητήρια θερμοκρασίας, ανιχνευτές κίνησης) και εντολείς η έξοδοι (δυαδικές έξοδοι, ρελλαί, ρυθμιστές κλπ). Όλες αυτές οι συσκευές προγραμματίζονται, αποκτούν λογική και εξυπνάδα και ονομάζονται συνδρομητές του δικτύου. Η διασύνδεση των συνδρομητών γίνεται με ένα διπολικό καλώδιο. Το καλώδιο μπορεί να είναι ένα τηλεφωνικό καλώδιο (YCYM 2x2x0,8mm2) όπου το ελεύθερο ζεύγος μπορεί να παραμείνει σαν εφεδρικό. Το καλώδιο αυτό μεταφέρει τις πληροφορίες και ταυτόχρονα τροφοδοτεί και τους συνδρομητές με την απαραίτητη τάση λειτουργίας 24V DC συνδέοντάς τους παράλληλα. Οι γραμμές ισxύος (230/400V) οδεύουν από τον πίνακα διανομής στους εντολείς και από εκεί στις καταναλώσεις. Προγραμματισμός αντί για συνδέσεις Ο προγραμματισμός των συνδρομητών και ο καθορισμός των παραμέτρων τους γίνεται με την χρήση ενός κοινού προσωπικού υπολογιστή (PC) ή laptop, μέσω του προγράμματος ETS 3 (EIBA Tool Software) σε περιβάλλον Windows. Η μεταβίβαση των προγραμμάτων και των παραμέτρων στους συνδρομητές του instabuseib/knx γίνεται από το PC στην εγκατάσταση, σειριακά, μέσω μίας θύρας RS 232, ή USB ή ακόμα και IP (Ethernet) η οποία μπορεί να τοποθετηθεί σε οποιοδήποτε σημείο του δικτύου ή ακόμη και στον πίνακα. Στην συνέχεια δεν είναι απαραίτητη πλέον η χρήση PC για την λειτουργία της εγκατάστασης. Σε περίπτωση διακοπής τάσεως το πρόγραμμα παραμένει αποθηκευμένο και ανεπηρέαστο. Συσκευές και εξαρτήματα Στο instabuseib/knx υπάρχουν συσκευές για εξωτερική και χωνευτή τοποθέτηση, καθώς και συσκευές ράγας για τοποθέτηση σε πίνακα. Οι συσκευές πίνακα επικοινωνούν και συνδέονται μεταξύ τους μέσω μίας αυτοκόλλητης ράγας τροφοδοσίας και μεταφοράς δεδομένων η οποία τοποθετείται στην τυποποιημένη ράγα του πίνακα (EN X7,5mm). Όλες αυτές οι νέες συσκευές έχουν το ίδιο design και συνεργάζονται αρμονικά με τα γνωστά ηλεκτρολογικά υλικά της Siemens (υλικά πινάκων, διακόπτες, πρίζες κλπ). 39

40 ABB i-bus Η ΑΒΒ έρχεται να κάνει τις ιδέες σας πραγματικότητα με το ABB i-bus KNX[12], που αποτελεί τη βάση για τον ολιστικό και ευφυή έλεγχο των διαφόρων κτιριακών συστημάτων. Με το ABB i-bus KNX όλες οι πληροφορίες και οι εντολές που σχετίζονται με τον έλεγχο της εγκατάστασης μεταδίδονται μέσω ενός διαύλου δεδομένων (bus), ο οποίος μοιάζει με ένα δίκτυο υπολογιστών και δημιουργείται με τη χρήση ενός και μόνο καλωδίου, πάνω στο οποίο συνδέονται οι διάφορες συσκευές του συστήματος, όπως είναι για παράδειγμα η νέα γενιά συσκευών ευφυούς ελέγχου Busch-priOn και Busch ComfortTouch του φημισμένου κατασκευαστικού οίκου Busch-Jaeger, μέλους του ομίλου της ABB. Με τις συσκευές αυτές, διαισθητικές στη χρήση αλλά και άψογές στην αισθητική, αρκεί το πάτημα ενός πλήκτρου με την άκρη του δαχτύλου μας, ώστε να καθοριστούν σενάρια για το φωτισμό, τη μουσική, τη θέρμανση και τον κλιματισμό, αλλά και πολλές ακόμα λειτουργίες ενός κτιρίου. Μπορούμε έτσι να έχουμε, ανά πάσα στιγμή, υπό παρακολούθηση και έλεγχο όλα τα επιμέρους συστήματα αυτού. Τα μενού και τα μπουτόν των συσκευών Busch-priOn και Busch ComfortTouch αλλά και των υπολοίπων συσκευών του συστήματος ABB i-bus KNX προσαρμόζονται πλήρως στις απαιτήσεις του κάθε χρήστη ξεχωριστά, ενώ η σαφήνεια εξασφαλίζεται με κείμενα στην ελληνική ή άλλες επιθυμητές γλώσσες αλλά και με εικονίδια, όπως και με την ύπαρξη ενός απλού και κατανοητού χρωματικού κώδικα. Η υψηλού επιπέδου τεχνολογία που χρησιμοποιείται λειτουργεί μεν αδιάκοπα και αξιόπιστα αλλά ταυτόχρονα διακριτικά και μόνο στο παρασκήνιο. Στο χρήστη είναι ορατά μόνο τα υψηλής ποιότητας στοιχεία ελέγχου των οποίων η λειτουργικότητα προσαρμόζεται κατάλληλα ανάλογα με τις ανάγκες του. Αρκεί έτσι το πάτημα ενός πλήκτρου με την άκρη του δαχτύλου μας, για να γίνει δυνατή η δημιουργία μιας εξατομικευμένης εμπειρίας διαβίωσης Living Space SCHNEIDER ELECTRIC KΝΧ Το ΚΝΧ είναι ένα σύστημα bus απομακρυσμένου ελέγχου, με τη μετάδοση σειριακών πληροφοριών (τηλεγραφήματα), μέσω του δικτύου εγκατάστασης bus. Όλες οι συνδεδεμένες στο bus συσκευές ανταλλάσουν μεταξύ τους πληροφορίες, όπως για παράδειγμα μεταξύ ενός αισθητηρίου και ενός ή περισσότερων ενεργοποιητών. Με το σύστημα ΚΝΧ πολλές διαφορετικές εντολές όπως θέρμανσης, ελέγχου ρολών, φωτισμού και κλιματισμού αλληλεπιδρούν και διαμορφώνουν ένα έξυπνο σύστημα. Αντίθετα από τις συμβατικές ηλεκτρικές εγκαταστάσεις, όπου πρέπει να προσδιορίζεται προκαταβολικά πως και που θα εγκατασταθούν οι συσκευές ελέγχου του κτιρίου, πριν την κατασκευή, με το ΚΝΧ της Schneider Electric[13], κάθε επιλογή παραμένει δυνατή. Και αυτό γιατί οτιδήποτε μέσα στο σύστημα μπορεί να αλλάξει οποιαδήποτε 40

41 στιγμή χωρίς τη συνηθισμένη αναστάτωση και την ανάγκη τοποθέτησης νέων καλωδίων. Το ΚΝΧ συγκεντρώνει στο ίδιο σύστημα όλες τις λειτουργίες που πριν ελέγχονταν ξεχωριστά. Με το πάτημα ενός και μόνο πλήκτρου εκτελούνται όλες οι απαιτούμενες λειτουργίες: τα ρολά χαμηλώνουν, ο φωτισμός ενεργοποιείται και ο χώρος θερμαίνεται στη σωστή θερμοκρασία, εξοικονομώντας ενέργεια. Ο προγραμματισμός όλων των συσκευών KNX πραγματοποιείται μέσω του λογισμικού ETS ELCO inels Το INELS[14] είναι ένα έξυπνο σύστημα που σχεδιάστηκε κυρίως για λειτουργίες On/Off, ελέγχου, ρύθμισης και απεικόνισης όλων των ηλεκτρικών στοιχείων ενός κτηρίου. Η μετάδοση των πληροφοριών επιτυγχάνεται από ένα δίαυλο δεδομένων (data bus) που τρέχει σε όλο το κτίριο. Όλα τα στοιχεία του διαύλου όπως ενεργοποιητές (μετάδοση εντολών) και αισθητήρες (αποδέκτες εντολών) συνδέονται στο ίδιο bus και ανταλλάσουν πληροφορίες μέσω πακέτου δεδομένων. Με τα πακέτα αυτά επιτυγχάνουμε επίσης όλες τις συνθήκες αντιδράσεων και οριοθετούνται οι λειτουργίες όλων των επιμέρους στοιχείων (φώτα On/Off, diming, Alarm, ρολά up/down κα) ώστε να θέσουν τις λειτουργικές παραμέτρους αυτών. Η τροφοδοσία (24 V DC / 27,2 V DC) όλων των ενεργοποιητών και αισθητηρίων παρέχεται από το δίαυλο επικοινωνίας CARLO GAVAZZI Smart House Η καρδιά της εγκατάστασης Smart House[15] είναι ο Smart House Controller. Αποτελεί έναν εξελιγμένο controller σχεδιασμένο να λειτουργεί σε περιβάλλον Windows και ο οποίος διαχειρίζεται όλες τις αυτόματες λειτουργίες του συστήματος αυτοματισμού. Ο controller οργανώνει την επικοινωνία στο bus και μπορεί να διαχειριστεί έως 256 διευθύνσεις που αποτελούνται από 128 εισόδους και 128 εξόδους. Αν αυτές δεν είναι αρκετές, μπορούν να χρησιμοποιηθούν έως 3 εξωτερικές επεκτάσεις bus, ανεβάζοντας το συνολικό αριθμό διευθύνσεων σε 1024 (512 είσοδοι και 512 έξοδοι). Το bus επίσης τροφοδοτεί όλες τις αποκεντρωμένες μονάδες όπως διακόπτες φωτισμού, θερμοστάτες, ανιχνευτές κίνησης κλπ. Ο controller τροφοδοτείται με τάση 230Vac αλλά και από 12VDC τάση με τη χρήση εξωτερικής μπαταρίας, η οποία φορτίζεται από τον ίδιο τον controller. Έτσι σε περίπτωση διακοπής του ρεύματος το σύστημα συνεχίζει να λειτουργεί κανονικά. Διαθέτει επίσης θύρα Ethernet για τον έλεγχο και την επίβλεψη όλων των σημάτων και λειτουργιών του συστήματος αυτοματισμού αλλά και για 41

42 σύνδεση με οθόνες αφής, εξελιγμένα τηλεχειριστήρια Audio/Video, TV με σύνδεση Ethernet κλπ. Επίσης μπορεί να συνδεθεί εξωτερική μονάδα επέκτασης με GSM modem, έτσι ώστε να μπορείτε να ελέγχετε το σύστημα σας με την αποστολή SMS. Αντίστοιχα το σπίτι επικοινωνεί μαζί σας για να σας ειδοποιήσει για οποιοδήποτε πρόβλημα: ανίχνευση διαρροής νερού, ανίχνευση καπνού, ενεργοποίηση συναγερμού κλπ Ερευνητικά προγράμματα Πολύ μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον υπάρχει από την διεθνή κοινότητα σε θεματικά πεδία σχετικά με την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών εφαρμοσμένων σε έξυπνα κτίρια με σκοπό κυρίως την μείωση της κατανάλωσης ενέργειας και των εκπομπών CO 2 στο περιβάλλον. Παρακάτω παρουσιάζουμε ορισμένα ερευνητικά προγράμματα σχετικά με το αντικείμενο αυτό Hobnet Ο κύριος στόχος του έργου Hobnet [16] ( ) είναι να διευκολύνει να μεγιστοποιηθεί η χρήση των πλατφορμών FIRE από τους προγραμματιστές του internet του μέλλοντος με επίκεντρο τους αυτοματισμούς και την ενεργητική αποδοτικότητα σε πράσινα/έξυπνα κτίρια. Το έργο ασχολείται με αλγοριθμικά, δικτυακά και προγραμματιστικά ζητήματα που αφορούν συστήματα του Internet του μέλλοντος για μικροσκοπικές φορητές συσκευές: α) μία καθολική IPv6/6LoWPAN υποδομή για κτίρια και πώς το IPv6 μπορεί να ενσωματώσει ετερογενείς τεχνολογίες (αισθητήρες, actuators, φορητές συσκευές κλπ) β) το 6lowApp και η τυποποίησή του προς ένα νέο ενσωματωμένο πρωτόκολλο εφαρμογών για αυτοματισμούς κτιρίων, γ) νέα αλγοριθμικά μοντέλα με κλιμακούμενες λύσεις για ενεργειακή αποδοτικότητα, ευαισθησία σε ακτινοβολία, διάχυση των δεδομένων, εντοπισμό θέσης και κινητικότητα, δ)την ταχεία ανάπτυξη και ολοκλήρωση εφαρμογής διαχείρισης κτιρίου, ε) υποστήριξη στην ανάπτυξη και την παρακολούθηση των αποτελεσμάτων που προκύπτουν για FIRE πειραματικά δίκτυα 42

43 IoT-LAB Το έργο IoT-LAB [36] είναι ένα ευρωπαϊκό ερευνητικό πρόγραμμα το οποίο στοχεύει στη διερεύνηση των δυνατοτήτων του crowdsourcing για την επέκταση των υποδομών των IoT testbeds για διεπιστημονικά πειράματα με περισσότερες αλληλεπιδράσεις των τελικών χρηστών. Θα ασχοληθεί με θέματα όπως: Τους μηχανισμούς και τα εργαλεία για Crowdsourcing "Crowdsourcing" με γνώμονα την έρευνα Εικονικοποίηση του crowdsourcing και των Testbeds Διασύνδεση και Cloudification των Testbeds. Τα testbeds ως πλατφόρμες υπηρεσιών. Διεπιστημονική πειράματα. Δημιουργία για τελικούς χρήστες και με κοινωνική αξία Το IoT-LAB, θα έχει πραγματικές εφαρμογές σε κτίρια, με σκοπό την εξοικονόμηση ενέργειας, προσαρμοζόμενο στις ανάγκες των χρηστών του. Πρόκειται ουσιαστικά για την επέκταση του έργου Hobnet, με Crowdsensing δυνατότητες GreenerBuildings Το έργο GreenerBuildings [37] στοχεύει να δημιουργήσει μια ολοκληρωμένη λύση που θα αντιμετωπίζει την ενεργειακή πρόκληση, προσαρμόζοντας ενεργειακά σωστά από τα βασικά συστήματα αισθητήρων και αυτοματισμών, μέχρι ένα ενσωματωμένο λογισμικό για το συντονισμό χιλιάδων έξυπνων αντικειμένων με στόχο την εξοικονόμηση ενέργειας και της υποστήριξη των χρηστών. Το έργο διερευνά πως τα κτίρια μπορούν να προσαρμοστούν δυναμικά στις δραστηριότητες των χρηστών σύμφωνα με την πραγματική χρήση τους, με στόχο την ουσιαστική εξοικονόμηση ενέργειας. Το όραμα του έργου είναι ότι τα κτίρια μπορούν να ανταποκριθούν στην πραγματική τους χρήση και τις αλλαγές του περιβάλλοντός τους, αλληλεπιδρούν με τους χρήστες τους μέσω καινοτόμων αισθητήρων που βρίσκονται παντού και τεχνικών που εξάγουν συμπεράσματα για τη συμπεριφορά των χρηστών και μπορεί με διαφανή τρόπο να προσαρμόζεται η λειτουργία ενός κτιρίου Tibucon Με βάση το τρέχον Ευρωπαϊκό ενεργειακό σενάριο, ο κτιριακός τομέας είναι υπεύθυνος για την κάλυψη 35-40% της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας, και η θέρμανση 43

44 των χώρων είναι η μεγαλύτερη συνιστώσα της ενεργειακής χρήσης σε όλα σχεδόν τα κράτη μέλη, αντιπροσωπεύοντας το 67%. Η πρόταση του έργου επικεντρώνεται στα θέματα θέρμανσης και ψύξης των χώρων. Το παρόν έργο προτείνει μια λύση πέρα από τα υπάρχοντα ασύρματα HVAC συστήματα ελέγχου, που προέρχεται από τη χρήση του Self Powered Multi Magnitude Wireless Sensor Network (SP-MM-WSN) παρακολούθησης της θερμικής κατάστασης του κτιρίου. Το SP-MM- WSN αποφεύγει εντελώς τη χρήση καλωδίων και αφαιρούμενων μπαταριών, χάρη στο συνδυασμό της εξαιρετικά υψηλής ενεργειακής απόδοσης τεχνολογία της ασύρματης επικοινωνίας, των ηλεκτρονικών πολύ χαμηλής ισχύος, και την έννοια της συγκομιδής ενέργειας. Η αφαίρεση της μπαταρίας και η καλωδίωση αποτελεί σημαντικό πρόβλημα, λαμβάνοντας υπόψη ότι: η καλωδίωση μπορεί να αντιπροσωπεύει έως 80% του συνολικού κόστους για ένα σημείο ελέγχου στο σύστημα HVAC και ότι θα μπορούσαν να υπάρχουν εκατοντάδες αισθητήρων σε ένα πρόσφατα αναπτυγμένο ασύρματο σύστημα ελέγχου HVAC για ένα μέσης κλίμακας εμπορικό κτίριο, το οποίο θα παράγει εκατοντάδες τελειωμένες μπαταρίες. Ο στόχος του έργου TIBUCON [17] ( ) είναι να ανάπτυξη SP-MM-WSN τεχνολογία που θα χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή θερμικής παρακολούθησης της κατάστασης είτε για νέες ή υπάρχουσες εγκαταστάσεις HVAC. Το SP-MM-WSN μαζί με ένα σύστημα χειρισμού θα επιτρέψει τον βελτιστοποιημένο έλεγχο σε πραγματικό χρόνο, ή τουλάχιστον την αυτόματη ενημέρωση και την εκ των υστέρων παρακολούθηση της ενεργειακής χρήσης. Το έργο θα έχει ως αποτέλεσμα: ένα εργαλείο περισσότερο για βελτίωση του κόστους και λιγότερο για τη μετασκευή του HVAC, και μία πιο αποτελεσματική δομή HVAC όσον αφορά την κατανάλωση ενέργειας και την θερμική άνεση για νέες εγκαταστάσεις. Και οι δύο εναλλακτικές λύσεις θα έχουν σημαντικό αντίκτυπο στην κατανάλωση ενέργειας και εκπομπών CO2 από τα συστήματα των HVAC, και λόγω της μείωσης ενσύρματων καλωδιώσεων και χρήσης μπαταριών θα περιοριστεί και η χρήση πόρων (χαλκός, PVC, βαρέα μέταλλα, κ.λπ.) και θα μειωθεί η παραγωγή αποβλήτων (απόρριψη μπαταριών) Smart Build Η Τεχνολογία της Πληροφορίας και Επικοινωνιών (ΤΠΕ) είναι υπεύθυνη για τον ενεργειακό έλεγχο και την διαχείριση ενώ αποτελείται από διαφορετικές συσκευές και εξαρτήματα. Το σύστημα αυτό [18] σχεδιάστηκε με σκοπό να: 1. Να συλλέγει πληροφορίες από τα κτίρια χρησιμοποιώντας αισθητήρες και μετρητές (Επίπεδο 1) 2. Να στέλνει τα δεδομένα σε απομακρυσμένο διακομιστή (Επίπεδο 2) 44

45 3. Να συγκεντρώνει και να επεξεργάζεται τα δεδομένα της ενεργειακής ανάλυσης και ενεργειακής αποδοτικότητας και να εξοικονομεί προγραμματίζοντας τις δραστηριότητες (Επίπεδο 3) Περιβαλλοντικά οφέλη: περίπου 20-35% εξοικονόμηση ενέργειας. Αναμενόμενη απόσβεση επένδυσης: περίοδος 4-7 έτη 45

46

47 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Το Control Cube και το δίκτυο αισθητήρων 3.1. Η Αρχιτεκτονική του συστήματος Σε αυτό το κεφάλαιο θα δούμε τις βασικές αρχές και τα κύρια μέρη του συστήματος που αναπτύξαμε [38] με στόχο την εξοικονόμηση ενέργειας σε κτίρια. Για να μπορέσουμε όμως να καταλάβουμε στην συνέχεια τα επιμέρους μέρη του συστήματος ας δούμε αρχικά την αρχιτεκτονική του. Η κεντρική ιδέα, ήταν, να αναπτυχθούν αυτοματισμοί που θα είναι συμβατοί και θα ελέγχουν τις υπάρχουσες ηλεκτρολογικές εγκαταστάσεις του κτιρίου. Οι αυτοματισμοί που αναπτύχθηκαν είναι μέρος ενός ασύρματου δικτύου αισθητήρων που έχει αναπτυχθεί στο κτίριο. Ένας κεντρικός υπολογιστής, αναλαμβάνει να συγκεντρώνει όλη την πληροφορία, και να συντονίζει τους αυτοματισμούς με βάση τα σενάρια που έχει ορίσει ο χρήστης. Επιπλέον, ο χρήστης μπορεί να έχει άμεση πρόσβαση στους αυτοματισμούς μέσω του διαδικτύου, δίνοντας εντολές για τον χειρισμό τους από οποιαδήποτε συσκευή (κινητό τηλέφωνο, tablet, υπολογιστή, κλπ). Στην εικόνα 3.1 φαίνεται σχηματικά η αρχιτεκτονική του συστήματος. Βλέπουμε ότι σε κάθε ηλεκτρομηχανολογικό σύστημα του κτιρίου που θέλουμε να ελέγξουμε συνδέουμε σε αυτό έναν αυτοματισμό (control cube). Κάθε αυτοματισμός ελέγχεται από ένα sensor mote που περιέχει. Όλα τα sensor motes επικοινωνούν μεταξύ τους και δημιουργούν ένα ασύρματο δίκτυο αισθητήρων. Ένας από τους αισθητήρες του δικτύου (Getaway) είναι συνδεδεμένος στον Web Proxy. Ο Web Proxy είναι συνδεδεμένος στο διαδίκτυο, ενώ σε μία 47

48 βάση (Resource Directory) διατηρεί τις απαραίτητες πληροφορίες για τον κάθε αυτοματισμό. Από οποιαδήποτε συσκευή είναι συνδεδεμένη στο διαδίκτυο μπορούμε μέσω του Web Proxy να στείλουμε εντολές στους αυτοματισμούς και να χειριστούμε τα ηλεκτρομηχανολογικά συστήματα του κτιρίου Αναλυτικότερα θα αναφερθούμε σε όλα τα μέρη του συστήματος, στις επόμενες ενότητες αυτού του κεφαλαίου. Εικόνα 3.1 Η αρχιτεκτονική του συστήματος 3.2. Το υλικό (hardware) Στην ενότητα αυτή θα δούμε πιο αναλυτικά τα μέση του συστήματος που χρειάστηκαν για την σχεδίαση και την ανάπτυξη των αυτοματισμών του συστήματος, τις συσκευές που είναι συμβατές με τους αυτοματισμούς που αναπτύχθηκαν αλλά και τις πλατφόρμες αισθητήρων που επιλέχθηκαν για την ανάπτυξη του ασύρματου δικτύου αισθητήρων στο κτίριο. 48

49 Η πλατφόρμα TelosB Στην παρούσα εργασία για την υλοποίηση του Ασύρματου δικτύου αισθητήρων χρησιμοποιήθηκε η πλατφόρμα TelosB[19] της εταιρείας Crossbow (εικόνα 3.2), λόγω των πλεονεκτημάτων που έχει σε σχέση με τα άλλα εμπορικά προϊόντα της αγοράς, αλλά και λόγω της ευρείας χρήσης της από την ερευνητική κοινότητα σε πολλές και διαφορετικές εφαρμογές που την καθιστούν ιδανική για ερευνητικό εργαλείο. Στην συνέχεια θα κάνουμε μία ανασκόπηση στα χαρακτηριστικά τις πλατφόρμας αυτής προκειμένου να γίνει κατανοητή και η χρήση της που θα παρουσιαστεί στο επόμενο κεφάλαιο. Εικόνα 3.2 Το TelosB Εικόνα 3.3 Το διάγραμμα των κυκλωμάτων του TelosB. Τροφοδοσία Το TelosB μπορεί να τροφοδοτηθεί από δύο μπαταρίες τύπου ΑΑ. Η πακέτα όπως δίνεται από τον κατασκευαστή έχει ενσωματωμένη θήκη για μπαταρίες, που είναι 49

50 συνδεδεμένη στην τροφοδοσία της πλατφόρμας. Η τάση που απαιτείται να δίνουν οι μπαταρίες για την λειτουργία του TelosB πρέπει να βρίσκεται στο εύρος 2,1 3,6 VDC ενώ κατά τον προγραμματισμό πρέπει να είναι πάνω από 2.7V. Αν η θύρα USB που διαθέτει η πλακέτα είναι συνδεδεμένη σε υπολογιστή για προγραμματισμό ή μεταφορά δεδομένων τότε το TelosB τροφοδοτείται από τον υπολογιστή και η τάση είναι 3V. Αν το mote είναι μόνιμα συνδεδεμένο σε μία θύρα USB τότε η χρήση μπαταριών δεν είναι απαραίτητη. Μπορούμε αν θέλουμε αντί να συνδεθεί σε υπολογιστή το mote να τροφοδοτηθεί μέσω ενός μετασχηματιστή κατάλληλο για USB τροφοδοσία. MIN NOM MAX UNIT Supply voltage V Supply voltage during flash memory programming V Operating free air temperature oc Current Consumption: MCU on, Radio RX ma Current Consumption: MCU on, Radio TX ma Current Consumption: MCU on, Radio off μa Current Consumption: MCU idle, Radio off μa Current Consumption: MCU standby μa Πίνακας 3.1 Τα χαρακτηριστικά της τροφοδοσίας του TelosB. Ο επεξεργαστής MSP430 Ο επεξεργαστής που χρησιμοποιείται στο TelosB είναι ο MSP430[20] της εταιρείας Texas Instruments και έχει ενσωματωμένη μνήμη 10kB RAM, 4kB flash και 128Β για αποθήκευση πληροφορίας. Αυτός ο 16-bit RISC επεξεργαστής έχει εξαιρετικά χαμηλή κατανάλωση ενέργειας λόγω της active/sleep λειτουργίας του και μπορεί να λειτουργεί για χρόνια με δύο μπαταρίες ΑΑ. Επιπλέον ο επεξεργαστής έχει 8 εξωτερικές ADC ports για γενική χρήση και 8 εσωτερικές ADC ports που μπορεί να διαβάζει την εσωτερική θερμοκρασία ή να παρακολουθεί την τάση της μπαταρίας. Παράλληλα στον επεξεργαστή μπορούν να συνδεθούν διάφορες περιφερικές συσκευές μέσω SPI, UART, digital I/O ports και Timers. Τέλος διαθέτει και ένα 2-potr 12bit DAC (Digital to Analog Converter) module που του δίνει την δυνατότητα να διαβάζει αναλογικές τιμές μεταξύ 0-3VDC με μεγάλη ακρίβεια. MIN NOM MAX UNIT Supply voltage during program execution V Supply voltage during flash memory programming V Operating free air temperature oc Low frequency crystal frequency khz Active current at Vcc = 3V, 1MHz μa Sleep current in LPM3 Vcc = 3V, kHz active μa Wake up from LPM3 (low power mode) 6 μs Πίνακας 3.2 Τα χαρακτηριστικά του μικροεπεξεργαστή MSP

51 Εικόνα 3.4 Το Block diagram του TelosB. Μονάδα ασύρματης επικοινωνία (CC2420) Το TelosB είναι εφοδιασμένο με το ολοκληρωμένο CC2420[21] το οποίο είναι ένας πομποδέκτης που λειτούργει στην συχνότητα των 2.4GHz, συμβατός με το πρωτόκολλο IEEE και προορίζεται για ασύρματες εφαρμογές χαμηλής ισχύος και χαμηλής τάσης. Το CC2420 περιλαμβάνει ένα modem με λειτουργία DSSS (Digital Sequence Spread Spectrum) που παρέχει κέρδος 9dB και ενεργό ρυθμό μετάδοσης στα 250kbps. Παρέχει ευρεία υποστήριξη υλικού για χειρισμό πακέτων, προσωρινή αποθήκευση δεδομένων, μετάδοση κατά ριπές, κρυπτογράφηση δεδομένων, και πιστοποίηση αλλά και πληροφορίες σχετικές με την ποιότητα μετάδοσης (LQI, RSSI). Αυτά τα χαρακτηριστικά του δίνουν τη δυνατότητα να περιορίζει τον φόρτο του επεξεργαστή (MSP430) και να επικοινωνεί με μικρο-ελεγκτές χαμηλού κόστους. Το CC2420 έχει ενσωματωμένο RSSI (Received Signal Strength Indicator) το οποίο επιστρέφει ψηφιακή τιμή που αντιστοιχεί στην δύναμη του σήματος που έλαβε. Εικόνα 3.5 Το διάγραμμα της δύναμης του σήματος. 51

52 Ενσωματωμένη κεραία Εκτός από την δυνατότητα τοποθέτησης εξωτερικής κεραίας επάνω στην πλακέτα υπάρχει και στο ένα άκρο της άκρη μία ενσωματωμένη-τυπωμένη κεραία σε σχήμα ανεστραμμένου F μακριά από την τροφοδοσία της μπαταρίας. Παρόλο που η τυπωμένη κεραία δεν είναι το ιδανικό μοντέλο για την κατεύθυνση της κεραίας καταφέρνει να επικοινωνεί σε απόσταση 50 μέτρων σε εσωτερικούς χώρους και 125 μέτρων σε εξωτερικούς. Εικόνα 3.6 Η ενσωματωμένη κεραία στην πλακέτα του TelosB. Αισθητήρες Η έκδοση της πλατφόρμας TelosB που χρησιμοποιούμε περιλαμβάνει και αισθητήρες ενσωματωμένους επάνω στην πλακέτα. Ο αισθητήρας Υγρασίας/Θερμοκρασίας κατασκευάζεται από την εταιρεία Sensirion AG[22]. Οι τιμές που παράγει για τις μετρήσεις του είναι ψηφιακές και αποθηκεύονται κατευθείαν στην EEPROM μνήμη που είναι ενσωματωμένη στο mote. Τα βασικά χαρακτηριστικά του αισθητήρα παρατίθενται στον παρακάτω πίνακα. Ο αισθητήρας της Φωτεινότητας που ενσωματώνει το TelosB έχει δύο διαφορετικές φωτοδιόδους της εταιρείας Hamamatsu Corporation. Το S1087[23] είναι κατάλληλο για να ανιχνεύει την φωτοσυνθετικά ενεργή ακτινοβολία και το S [24] για την ανίχνευση ολόκληρου του ορατού φάσματος συμπεριλαμβανομένης και της υπέρυθρης ακτινοβολίας. Αναλυτικότερα μπορούμε να δούμε την χαρακτηριστική του παρακάτω σχήματος. Parameter MIN TYP MAX Units Humidity Resolution %RH Bit Repeatability ±0.1 %RH Range %RH Temperature Resolution o C o F bit Repeatability ±0.1 o C ±0.2 o F Range o C o F 52

53 Θύρες επέκτασης Το TelosB διαθέτει δύο θύρες επέκτασης στις οποίες μπορούν σα συνδεθούν αναλογικοί αισθητήρες, LCD οθόνες, άλλα ψηφιακά περιφερικά ή οποιεσδήποτε άλλες συμβατές συσκευές. Η 10-pin θύρα U2 και η 6-pin θύρα U28 υποστηρίζουν ψηφιακές εισόδους και εξόδους, αναλογικές ADC εισόδους, αναλογικές 12-bit DAC εξόδους, συνδέσεις UART και I2C. Ακόμα μέσω της θύρας U28 μπορούν να ελεγχθούν και το User Button αλλά και το Reset. Παρακάτω βλέπουμε αναλυτικά την λειτουργία κάθε ακίδας των θυρών U2 και U28. Σύνδεση με Υπολογιστή και Προγραμματισμός Το TelosB όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως διαθέτει μία θύρα USB, και τον αντίστοιχο ελεγκτή, μέσω της οποίας συνδέεται στον υπολογιστή. Για να επικοινωνήσει όμως με τον υπολογιστή χρειάζεται αφού στον υπολογιστή είναι εγκατεστημένο λειτουργικό σύστημα Linux να εγκατασταθούν και οι απαραίτητες βιβλιοθήκες του TinyOS που περιλαμβάνουν και τους drivers για τα υποσυστήματα του TelosB. Στη συνέχεια για τον προγραμματισμό του mote αφού γραφτεί ένα πρόγραμμα σε nesc γλώσσα προγραμματισμού μεταγλωττίζεται μαζί με το λειτουργικό TinyOS σε ένα ενιαίο binary κώδικα και εγγράφεται στην μνήμη του TelosB. 53

54 Ο αυτοματισμός (Control Cube) Σε αυτή την ενότητα θα δούμε αναλυτικά, τον σχεδιασμό και την ανάπτυξη του αυτοματισμού που υλοποιήθηκε προκειμένου να ελέγχονται τα ηλεκτρομηχανολογικά συστήματα του κτιρίου από το σύστημα. Ο αυτοματισμός σχεδιάστηκε ώστε να είναι εύκολος στην εγκατάσταση του και παράλληλα τροποποιήσιμος και επεκτάσιμος στο μέλλον. Όμως ο βασικός άξονας σχεδιασμού ήταν η δυνατότητα που θα δίνεται ώστε να μπορεί κάποιος χρήστης να κάνει εύκολα αλλαγές χωρίς να χρειάζεται να επεμβαίνει ουσιαστικά στην ηλεκτρολογική εγκατάσταση. Για τον σκοπό αυτό αποφασίστηκε ο αυτοματισμός να σχεδιαστεί σε δύο επίπεδα όπου θα διαχωρίζονται, όσο ήταν δυνατόν, τα ηλεκτρονικά από τα ηλεκτρολογικά μέρη του αυτοματισμού που θα διαρρέονται από ισχυρά ρεύματα (240 V AC) και είναι υπεύθυνα για την τροφοδοσία και την λειτουργία των συστημάτων, από τα ηλεκτρονικά μέρη που διαρρέονται από ασθενή ρεύματα (< 50V DC) και είναι υπεύθυνα για την λογική του αυτοματισμού και τις εντολές που δίνονται από το TelosB. Μία άλλη παράμετρος που καθόρισε σημαντικά τον σχεδιασμό ήταν ότι ο αυτοματισμός έπρεπε να είναι ευέλικτος και να μην εξαρτάται από το ποιά πλατφόρμα αισθητήρα θα χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο του καθώς το εργαστήριο διαθέτει πολλές διαφορετικές πλατφόρμες και για οποιονδήποτε λόγο μπορεί να χρειαστεί να αντικατασταθεί από κάποια άλλη. Η παράμετρος αυτή οδήγησε στον σχεδιασμό ενός πιο αφαιρετικού αυτοματισμού γνωρίζοντας ότι έτσι θα ήταν αναπόφευκτο το κουτί του αυτοματισμού να έχει μεγαλύτερο όγκο που όμως για τους πειραματικούς και εκπαιδευτικούς του σκοπούς θα ήταν περισσότερο κατάλληλο. Ένα άλλο επιθυμητό χαρακτηριστικό του αυτοματισμού ήταν να μπορεί ο χρήστης να θέτει εκτός λειτουργίας το αυτοματοποιημένο σύστημα που ελέγχεται από το TelosB, και να ελέγχει μόνος του τα ηλεκτρολογικά συστήματα με τους κλασικούς διακόπτες. Έτσι αποφασίστηκε να υπάρχει ένας διακόπτης στο κουτί του αυτοματισμού που να δίνει στον χρήστη την δυνατότητα να επιλέγει ανάμεσα σε αυτόματή ή χειροκίνητη λειτουργία (ουσιαστικά να θέτει εκτός λειτουργίας το αυτόματο σύστημα). Ας δούμε όμως ποια συστήματα θέλουμε να ελέγχονται από τον αυτοματισμό μας, τα χαρακτηριστικά τους και τα είδη των εντολών που θα δέχονται. Τα συστήματα που αρχικά θέλουμε να ελέγχονται είναι το σύστημα φωτισμού, το σύστημα σκίασης, το σύστημα εξαερισμού, αλλά και το σύστημα που ελέγχει τις standby συσκευές. Ο αυτοματισμός θέλουμε να είναι συμβατός και με άλλα συστήματα ή να μπορεί εύκολα να τροποποιηθεί ή να επεκταθεί ώστε να υποστηρίζει και πολλά άλλα συστήματα. Τα συστήματα που αναφέραμε πιο πάνω μπορούμε εύκολα να καταλάβουμε ότι μοιάζουν μεταξύ τους αφού έχουν διακριτές καταστάσεις λειτουργίας. Για παράδειγμα, το σύστημα φωτισμού έχει ON-OFF καταστάσεις για κάθε φωτιστικό (ή κάθε κύκλωμα φωτιστικών). Το σύστημα σκίασης, για κάθε κουρτίνα ή τέντα ή ρολό (ή συστοιχία από αυτά) έχει τις καταστάσεις OPEN-CLOSE-STOP. Το σύστημα εξαερισμού, για κάθε αεραγωγό 54

55 έχει τις λειτουργίες IN-OUT-OFF. Το σύστημα που ελέγχει τις standby συσκευές έχει τις καταστάσεις ON-OFF για κάθε κύκλωμα. Μία άλλη παράμετρο που πρέπει να εξετάσουμε είναι τα φορτία που θα μπορεί να υποστηρίξει ο αυτοματισμός για το κάθε σύστημα. Σε γενικές γραμμές για αυτοματισμούς που ελέγχουν ηλεκτρολογικές εγκαταστάσεις οικιακής χρήσης (όπως αυτές που εφαρμόσαμε) τα φορτία δεν ξεπερνούν τα 4A. Άρα ο Αυτοματισμός μας θα σχεδιαστεί για να μπορεί να ελέγχει κυκλώματα που το φορτίο τους δεν θα ξεπερνά τα 4A και θα λειτουργεί στα 240V AC. Για να μπορεί να ελέγχει συστήματα με μεγαλύτερα φορτία, ο σχεδιασμός δεν αλλάζει, αλλά θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν εξαρτήματα που να αντέχουν σε μεγαλύτερα φορτία. Ας δούμε όμως πιο αναλυτικά τι θέλουμε να κάνει ο αυτοματισμός μας και με ποιον τρόπο θα καταφέρουμε το TelosB να χειρίζεται το κάθε σύστημα. Αρχικά, για λόγους γενικότητας και για να μπορεί ο ίδιος αυτοματισμός να συνδεθεί σε πολλά διαφορετικά συστήματα θα κάνουμε την παραδοχή ότι ο αυτοματισμός μας θα υποστηρίζει ON - OFF καταστάσεις για τέσσερα ανεξάρτητα κυκλώματα. Αυτό είναι αρκετό για να ελέγχει πολλές λειτουργίες σε διάφορα συστήματα. Για παράδειγμα, κάθε ON-OFF επαφή μπορεί να ελέγχει ένα κύκλωμα φωτισμού, μία ON-OFF επαφή να ελέγχει την εισαγωγή αέρα στο σύστημα εξαερισμού και μία άλλη να ελέγχει την εξαγωγή αέρα, μία ON-OFF επαφή μπορεί να ελέγχει ένα κύκλωμα με συσκευές σε standby κατάσταση, μία ON-OFF επαφή να ελέγχει το άνοιγμα ενός ρολού στο σύστημα σκίασης και μία άλλη να ελέγχει το κλείσιμο του ρολού κλπ. Εδώ επισημαίνουμε ότι η λειτουργία σε κάποιες από τις επαφές δεν είναι ανεξάρτητη η μια από την άλλη. Για παράδειγμα, δεν μπορούν να είναι ταυτόχρονα στην κατάσταση ON και η επαφή που ελέγχει την εισαγωγή αέρα και αυτή που ελέγχει την εξαγωγή αέρα στον ίδιο αεραγωγό. Αυτές οι εξαρτήσεις θα ελέγχονται είτε προγραμματιστικά κατά την αυτόματη λειτουργία του συστήματος, είτε στην χειροκίνητη λειτουργία από ειδικούς διακόπτες που δεν επιτρέπουν ταυτόχρονα σε δύο κυκλώματα να είναι κλειστά (π.χ. διακόπτες ρολών). Αφού οι καταστάσεις για τα συστήματα είναι διακριτές τότε μπορεί η εντολή που δίνει το TelosB για να ανίξει ή να κλείνει ένα κύκλωμα να είναι ένα ψηφιακό σήμα (0-1). Άρα ο πιο απλός τρόπος το TelosB να ελέγχει και τα τέσσερα κυκλώματα είναι να δίνει εντολή μέσω των Digital I/O ports που διαθέτει. Δηλαδή ο αυτοματισμός να δέχεται σαν σήματα ελέγχου τις εξόδους τεσσάρων Digital I/O ports του TelosB και να αντιστοιχηθεί στην κατάσταση κύκλωμα 1 κλειστό το λογικό 1 στην port αυτή, δηλαδή στο pin που αντιστοιχεί στην port αυτή να έχει τάση +3V DC. Ενώ στην κατάσταση κύκλωμα 1 ανοιχτό θα αντιστοιχηθεί το λογικό 0 στην port αυτή, δηλαδή στο pin που αντιστοιχεί στην port αυτή να έχει τάση 0V DC. Ο αυτοματισμός μας θα πρέπει να μπορεί να λαμβάνει εντολές από την θύρα επέκτασης του TelosB. Πιο συγκεκριμένα θα λαμβάνει εντολές από τέσσερις Digital I/O ports του TelosB (μία για κάθε κύκλωμα), οι οποίες θα μπορούν μέσω solid state relays να ανοίγουν ή να κλείνουν τα αντίστοιχα κυκλώματα. Δηλαδή, για παράδειγμα, όταν η έξοδος του TelosB στην port που ελέγχει το φωτιστικό Α είναι λογικό 1 (δηλαδή +3V DC) τότε διεγείρεται το Solid State Relay και ανάβει το φωτιστικό Α, ενώ όταν η έξοδος του είναι λογικό 0 (δηλαδή 0V DC) τότε το Solid State Relay δεν διεγείρει (σβήνει) το φωτιστικό Α. Για 55

56 την προσέγγιση αυτή όμως χρειαζόμαστε τέσσερα Solid State Relays, ένα για τον έλεγχο κάθε κυκλώματος, που να διεγείρεται με τάση 3V DC και το ρεύμα επαφής να είναι 240V AC και να αντέχει φορτίο 4Α (όπως ορίσαμε προηγουμένως). Στο διάγραμμα της εικόνας 3.7, βλέπουμε μια απλή εφαρμογή του αυτοματισμού που σχεδιάζουμε χρησιμοποιώντας μόνο ένα Solid State Relay για να ελέγξουμε το φωτιστικό Α. Στο σχέδιο φαίνεται πώς πρέπει να συνδεθεί το κατάλληλο Solid State Relay με το φωτιστικό Α και το GIO 0 του TelosB, ώστε προγραμματίζοντας με ένα απλό κώδικα το TelosB να ανάβουμε και να σβήνουμε το φωτιστικό Α αναλόγως. Εικόνα 3.7 Διάγραμμα απλής εφαρμογής του αυτοματισμού με χρήση Solid State Relay Όμως σε αυτή την προσέγγιση δεν πληρείται η προϋπόθεση που θέσαμε στην αρχή, ώστε να υπάρχει τρόπος ο χρήστης να θέτει το αυτόματο σύστημα εκτός λειτουργίας και να αναβοσβήνει το φωτιστικό χειροκίνητα από τους κλασικούς επίτοιχους διακόπτες. Για να γίνει αυτό θα πρέπει στον παραπάνω αυτοματισμό να προστεθεί ένας διακόπτης για την χειροκίνητη λειτουργία αλλά και ένας δεύτερος διακόπτης για επιλογή ανάμεσα σε αυτόματη και χειροκίνητη λειτουργία του συστήματος. Όμως με ποιόν τρόπο θα γίνεται η επιλογή ανάμεσα σε αυτόματη και χειροκίνητη λειτουργία; Επιλέχθηκε η λύση να χρησιμοποιήσουμε ένα Relay που θα μπορεί, ανάλογα με το αν θα έχει διεγερθεί το πηνίο του, να τροφοδοτεί το κύκλωμα του φωτιστικού με ρεύμα μέσω του Solid State Relay (που ελέγχει το TelosB) ή διαφορετικά μέσω του επίτοιχου χειροκίνητου διακόπτη. Η λύση αυτή έχει αρκετά πλεονεκτήματα και δίνει μεγαλύτερη ευελιξία για μελλοντικές μετατροπές του αυτοματισμού και θα αναφερθούμε στην 56

57 συνέχεια σε αυτό. Έτσι το Relay που χρειαζόμαστε πρέπει να διεγείρεται με 240V AC και το ρεύμα επαφής να είναι 240V AC και να αντέχει φορτίο 4Α. Στο διάγραμμα της εικόνας 3.8 βλέπουμε την συνδεσμολογία του αυτοματισμού μετά την προσθήκη του διακόπτη επιλογής αυτόματης-χειροκίνητης λειτουργίας, του Relay και του διακόπτη χειροκίνητης λειτουργίας. Εικόνα 3.8 Διάγραμμα εφαρμογής του αυτοματισμού για ένα φωτιστικό με διακόπτη επιλογής ανάμεσα σε αυτόματη και χειροκίνητη λειτουργία. Σύμφωνα με τις προδιαγραφές του αυτοματισμού, όπως τις αναπτύξαμε στην αρχή, θα πρέπει να σχεδιαστεί ο αυτοματισμός έτσι ώστε να ελέγχει τέσσερα ανεξάρτητα κυκλώματα. Αυτό σημαίνει ότι καταρχήν θα χρειαστούμε τέσσερα Solid State Relays, ένα για κάθε κύκλωμα. Επίσης θα χρειαζόμασταν και τέσσερα Relays, αλλά καλύτερη επιλογή είναι η επιλογή ενός Relay τεσσάρων επαφών. Η λύση αυτή κάνει τον αυτοματισμό μας ευέλικτο σε πιθανές αλλαγές της εγκατάστασης και εύκολα προσαρμόσιμο σε άλλες εγκαταστάσεις με παρόμοιες απαιτήσεις. Για παράδειγμα σε περίπτωση που χρειαστεί να εφαρμοστεί σε εγκατάσταση με περισσότερες συστοιχίες από κυκλώματα (π.χ. φωτιστικά) τότε μπορούν να χρησιμοποιηθούν ιεραρχικά τέτοια Relays χωρίς να χρειάζεται ουσιαστική αλλαγή του αυτοματισμού. Παρομοίως, σε ένα άλλο παράδειγμα, μπορούμε να χειριζόμαστε κεντρικά αν θέλουμε πολλούς τέτοιους αυτοματισμούς ενός κτιρίου από κάποιους κεντρικούς διακόπτες, που ο καθένας μπορεί να θέτει On-Off το σύστημα αυτόματης λειτουργίας του συστήματος φωτισμού ενός ολόκληρου ορόφου. 57

58 Ας δούμε όμως συγκεκριμένα τι ακριβώς χρειαζόμαστε για να αναπτύξουμε τον αυτοματισμό μας. Στον παρακάτω πίνακα βλέπουμε αναλυτικά τα εξαρτήματα που χρειάζονται για να φτιάξουμε την πλακέτα που θα χειρίζεται τα ηλεκτρικά και ηλεκτρονικά μέρη του αυτοματισμού που διαρρέονται από ισχυρά ρεύματα (240 V AC) και είναι υπεύθυνα για την τροφοδοσία και την λειτουργία του εκάστοτε συστήματος. ΕΞΑΡΤΗΜΑ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΑ 1 Electromagnetic Relay CARLO GAVAZZI RMI A 45 [25] Ηλεκτρομαγνητικό relay που οδηγείται από τάση 240V AC και ελέγχει τέσσερεις επαφές (NO-NC) 240V AC 5Α. 2 Solid State Relay CRYDOM MP240D4 [26] Solid State Relay που οδηγείται από τάση 3V DC και ελέγχει μία επαφή (ΝΟ) 240V AC 4Α. 3 Rocker Switch Illuminated on-off Διακόπτης On Off (240V AC ) για τοποθέτηση στο κουτί του αυτοματισμού, με ενσωματωμένη φωτεινή ένδειξη. 4 Ασφαλειοθήκη πλακέτας και ασφάλεια Ασφαλειοθήκη για πλακέτα με ασφάλεια 1Α για προστασία σε περίπτωση βραχυκυκλώματος 5 Κλέμενς πλακέτας Κλέμενς πλακέτας για να μπορούν να συνδεθούν τα εξαρτήματα με τις καλωδιώσεις του συστήματος. Πίνακας 3.3 Τα βασικά εξαρτήματα που χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη της πλακέτας που διαρρέεται από ισχυρά ρεύματα (240V AC). 58

59 Χρησιμοποιώντας τα παραπάνω βασικά εξαρτήματα αναπτύχθηκε η πρώτη πλακέτα του αυτοματισμού που διαρρέεται από ισχυρά ρεύματα (240V AC) και η συνδεσμολογία της φαίνεται στο διάγραμμα της εικόνας 3.9. Εικόνα 3.9 Η τελική πλακέτα του αυτοματισμού που περιλαμβάνει τα εξαρτήματα που διαρρέονται από ισχυρά ρεύματα (240V AC) 59

60 Η πλήρης κατανόηση της λειτουργίας της πλακέτας απαιτεί να περιγράψουμε επιπλέον πως θα συνδέεται με το TelosB από όπου παίρνει τις εντολές, αλλά και πως θα συνδεθεί με το εκάστοτε ηλεκτρομηχανολογικό σύστημα ώστε να ελέγχει τα κυκλώματα του. Για ευκολότερη περιγραφή των λειτουργιών της θα κατηγοριοποιήσουμε τις αριθμημένες συνδέσεις (κλέμενς) και θα τις αναλύσουμε: Στις θέσεις N (ουδέτερος), R (φάση), και G (γείωση), συνδέεται η τροφοδοσία της πλακέτας (240V AC) από τον κεντρικό πίνακα του κτιρίου. Στις θέσεις συνδέεται ο διακόπτης Rocker με ενσωματωμένη φωτεινή ένδειξη που θα τοποθετηθεί στο κουτί του αυτοματισμού, μέσω του οποίου ο χρήστης θα επιλέγει ανάμεσα σε αυτόματη και χειροκίνητη λειτουργία για το σύστημα. Στις θέσεις 19-20, 21-22, και όπως φαίνεται συνδέονται οι είσοδοι των solid state relays. Σε αυτές τις θέσεις θα συνδεθεί με καλώδια η πλακέτα που περιέχει το TelosB και δίνει εντολή να ανοίξει ή να κλείσει το κάθε κύκλωμα. Ανά δύο οι συνδέσεις (19-20, 21-22, και 25-26) οδηγούν τα αντίστοιχα solid state relays (C4, C3, C2, C1) και πρέπει να δοθεί προσοχή στην πολικότητα. Έτσι πχ για να οδηγηθεί το relay C1 από το GIO0 του TelosB πρέπει να συνδεθεί στην θέση 26 το pin 10 (GIO0) της θύρας U2 του TelosB και στην θέση 25 το pin 9 (GND) της θύρας U2. Στις θέσεις 1 έως 14 συνδέονται τα κυκλώματα του συστήματος που ελέγχεται από τον αυτοματισμό και οι χειροκίνητοι διακόπτες του. Πιο αναλυτικά θα αναφερθούμε στο κεφάλαιο 4 που θα παρουσιαστεί η σύνδεση του αυτοματισμού με το εκάστοτε σύστημα. Εικόνα 3.10 Εξαρτήματα που χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη της πλακέτας με τα ασθενή ρεύματα. Αριστερά: ακιδοσειρά (pin header) και δεξιά : καλωδιοταινία Εκτός όμως από την πλακέτα που ελέγχει τα ισχυρά ρεύματα (240V AC) του αυτοματισμού χρειάζεται να αναπτύξουμε και την πλακέτα με τα ασθενή ρεύματα (<50V DC) που θα περιλαμβάνει και το TelosB. Με την πλακέτα αυτή θέλουμε να διαχωρίσουμε το TelosB από τον υπόλοιπο αυτοματισμό, πρώτον γιατί θέλουμε να αποφύγουμε πιθανές ανεπιθύμητες αλληλεπιδράσεις που έχουν τα ισχυρά ρεύματα στα ηλεκτρονικά που διαρρέονται από ασθενή ρεύματα, και δεύτερον γιατί θέλουμε το σύστημα μας να είναι 60

61 ευέλικτο σε πιθανές αλλαγές όπως είπαμε στην αρχή. Έτσι θα είναι εύκολη η πρόσβαση στο TelosB με σκοπό τον προγραμματισμό του ή την αντικατάσταση του από κάποιο άλλο. Εν τέλει σε περίπτωση που χρειαστεί να αντικατασταθεί από μία άλλη πλατφόρμα μη συμβατή με την πλακέτα που θα αναπτύξουμε τότε θα χρειαστεί να αλλαχθεί μόνο αυτή η πλακέτα (των ασθενών ρευμάτων) χωρίς καμία παρέμβαση στην ηλεκτρολογική εγκατάσταση και την πλακέτα των ισχυρών ρευμάτων. Εικόνα 3.11 Το διάγραμμα της πλακέτας που διαρρέεται από ασθενή ρεύματα και περιλαμβάνει το TelosB 61

62 Η υλοποίηση της ανεξάρτητης πλακέτας των ασθενών ρευμάτων για το TelosB, περιλαμβάνει τοποθέτηση ενός μετασχηματιστή 240V AC / 5V DC για συνεχή τροφοδοσία του TelosB μέσω της θύρας USB και την σύνδεση όλων των pins της θύρας επέκτασης του TelosB με κλέμενς πλακέτας προκειμένου να είναι εύκολη η σύνδεσή του με την άλλη πλακέτα. Με τον τρόπο αυτό οι συνδέσεις γίνονται απλά συνδέοντας με καλώδια τις κλέμενς της κάθε πλακέτας καθιστώντας εύκολες αλλαγές στις συνδέσεις, αλλά και την αντικατάσταση του TelosB χωρίς απολύτως καμία παρέμβαση στην πλακέτα. Για να συνδέσουμε τα pins του TelosB με τις κλεμενς κολλήθηκε ακιδοσειρά (pin header εικόνα 4.6) στις θέσεις των pins επάνω στο TelosB ενώ επίσης κολλήθηκε ακιδοσειρά και στην πλακέτα του αυτοματισμού. Κάθε pin της ακιδοσειράς στην πλακέτα του αυτοματισμού συνδέθηκε με μία κλέμενς της πλακέτας. Για να συνδέονται οι δύο ακιδοσειρές μεταξύ τους χρησιμοποιείται καλωδιοταινία (εικόνα 4.6) με IDC connectors που δίνει την δυνατότητα στο TelosB να κινείται αλλά και να αποσυνδέεται και να επανασυνδέεται εύκολα. Έτσι, κάθε pin της θύρας επέκτασης του TelosB, που θα δούμε αναλυτικά παρακάτω, αντιστοιχεί σε κάθε μία από τις αντίστοιχα αριθμημένες θέσεις σύνδεσης σε αυτή πλακέτα όπως φαίνονται και στο διάγραμμα της εικόνας Για να πάρει την τελική του μορφή ο αυτοματισμός και να λειτουργήσει πρέπει να τοποθετηθούν οι πλακέτες στο κουτί του αυτοματισμού, να συνδεθούν οι πλακέτες μεταξύ τους, να συνδεθεί η πλακέτα για τα ισχυρά ρεύματα με το ηλεκτρολογικό κύκλωμα της εγκατάστασης του κάθε συστήματος, να προγραμματιστεί το TelosB κατάλληλα και τελικά μέσω του διακόπτη AUTO MANUAL να ενεργοποιήσουμε την αυτόματη λειτουργία του αυτοματισμού. Αρχικά ας δούμε πως θα συνδεθούν οι δύο πλακέτες μεταξύ τους. Η σύνδεση έχει να κάνει αποκλειστικά με το ποια σήματα θέλουμε από το TelosB να ελέγχουν τα κυκλώματα. Εμείς επιλέξαμε να χειριστούμε τα κυκλώματα με τα σήματα GIO0, GIO1, GIO2 και GIO3. Έτσι τις θέσεις 19, 21, 23 και 25 της πλακέτας των ισχυρών ρευμάτων τις συνδέουμε στην θέση 9 της θύρας U2 της πλακέτας των ασθενών ρευμάτων που είναι συνδεδεμένη στην GND του TelosB. Ενώ τις θέσεις 20, 22, 24 και 26 της πρώτης πλακέτας τις συνδέουμε στις θέσεις 3 της U28, 4 της U28, 10 της U2 και 7 της U2 αντίστοιχα. Λειτουργία (TelosB) Pin/Port (TelosB) Relay Κύκλωμα GIO0 Exclusive digital I/O GIO1 Exclusive digital I/O GIO2 Exclusive digital I/O GIO3 Exclusive digital I/O 10 / U2 C2 Α 7 / U2 C1 Β 3 / U28 C4 Γ 4 / U28 C3 Δ Πίνακας 3.4 Η αντιστοιχία ανάμεσα στα pin/ports του TelosB, τα relay και το φωτιστικό που ελέγχουν. 62

63 63 Εικόνα 3.12 Το τελικό διάγραμμα του αυτοματισμού του Συστήματος Φωτισμού.

64 Στη συνέχεια πρέπει να συνδέσουμε την πλακέτα των ισχυρών ρευμάτων, με τα κυκλώματα του συστήματος στις θέσεις σύνδεσης 1 έως 14. Πριν από αυτό όμως πρέπει να αποφασίσουμε ποιο σήμα του TelosB που διεγείρει το αντίστοιχο Solid State Relay θέλουμε να κλείνει ποιό κύκλωμα για να ξέρουμε πώς να τα συνδέσουμε. Στον παρακάτω πίνακα φαίνεται η αντιστοιχία ανάμεσα στις λειτουργίες της θύρας επέκτασης του TelosB, το pin της πλακέτας του TelosB, το relay που διεγείρουν και εντέλει το αντίστοιχο κύκλωμα που ανοίγει ή κλείνει. Με βάση τον παραπάνω πίνακα καταλήγουμε στις συνδέσεις των θέσεων 1 έως 14. Έτσι στην θέση 1 συνδέουμε την φάση (R) του κυκλώματος Α, στην θέση 2 την φάση (R) του κυκλώματος Β, στην θέση 8 την φάση (R) του κυκλώματος Γ και στην θέση 9 την φάση (R) του κυκλώματος Δ. Στις θέσεις 5,6 και 7 συνδέουμε τον διακόπτη για τον χειροκίνητο έλεγχο των κυκλωμάτων Α και Β (για παράδειγμα στην περίπτωση του συστήματος φωτισμού συνδέουμε έναν διακόπτη κομιτατέρ για τον χειροκίνητο έλεγχο των φωτιστικών Α και Β) ενώ στις θέσεις 12,13 και 14 συνδέουμε τον διακόπτη για τον χειροκίνητο έλεγχο των κυκλωμάτων Γ και Δ (για παράδειγμα στην περίπτωση του συστήματος φωτισμού συνδέουμε έναν διακόπτη κομιτατέρ για τον χειροκίνητο έλεγχο των φωτιστικών Γ και Δ). Στις θέσεις 3, 10 και 4, 11 μπορούσαμε να συνδέσουμε τον ουδέτερο(n) και την γείωση(g) των κυκλωμάτων, ή μπορούν να συνδεθούν απευθείας με την κεντρική παροχή στο κουτί διακλάδωσης. Για να γίνει πιο κατανοητή η συνδεσμολογία του αυτοματισμού με κάποιο ηλεκτρομηχανολογικό σύστημα ας δούμε ένα συγκεκριμένο παράδειγμα. Ας εξετάσουμε την περίπτωση που ο αυτοματισμός θέλουμε να ελέγχει ένα σύστημα φωτισμού με τέσσερα κυκλώματα φωτιστικών. Για απλοποίηση του σχήματος υποθέτουμε ότι το κάθε κύκλωμα περιλαμβάνει μόνο ένα φωτιστικό σώμα. Έτσι, στην εικόνα 3.12 φαίνονται αναλυτικά όλες οι συνδέσεις του αυτοματισμού για το σύστημα φωτισμού Ενσωματωμένη IPv6 ασύρματη δικτύωση Στο κεφάλαιο αυτό θα κάνουμε μία επισκόπηση των βασικών στοιχείων του λειτουργικού συστήματος TinyOS που τρέχει η πλατφόρμα TelosB, σε κάποια βασικά πρωτόκολλα δρομολόγησης, στα χαρακτηριστικά του πρωτοκόλλου CoAP και της 6LowPAN στοίβας Το λειτουργικό σύστημα TinyOS Τα συμβατικά λειτουργικά αποτελούν λογισμικό συστήματος που περιλαμβάνει προγράμματα που διαχειρίζονται πόρους, ελέγχουν τις περιφερειακές συσκευές και 64

65 παρέχουν αφηρημένη απεικόνιση του υλικού. Στόχος είναι η διαχείριση διεργασιών, μνήμης, χρόνου του επεξεργαστή, του συστήματος αρχείων και των συσκευών. Αυτό επιτυγχάνεται συνήθως με τον διαχωρισμό σε πολλά επίπεδα (Πυρήνας, βιβλιοθήκες συστήματος κτλ.). Τα WSN λόγω της ιδιομορφίας των εφαρμογών που εκτελούν και των περιορισμένων πόρων συστήματος, απαιτούν μια διαφορετική προσέγγιση στη σχεδίαση του λειτουργικού τους συστήματος. Καταρχάς, σε ένα συμβατικό Λ.Σ. η εκτέλεση πολλαπλών διεργασιών είναι δυνατή με την κατανομής της μνήμης (στοίβα) σε καθεμία ξεχωριστά. Το περιορισμένο μέγεθος μνήμης σε έναν ασύρματο κόμβο δεν επαρκεί για μια τέτοια διαδικασία. Επίσης η εναλλαγή στην εκτέλεση των διεργασιών6 δεν ευνοεί την εκτέλεση κάποιων real-time εφαρμογών που εμφανίζονται σε ένα WSN, με αποτέλεσμα να χάνονται κρίσιμα δεδομένα. Τέλος, ένα συμβατικό Λ.Σ. εξορισμού αξιοποιεί το σύνολο δυνατοτήτων του υλικού για την καλύτερη εκτέλεση των προγραμμάτων, προσέγγιση απολύτως λογική για έναν υπολογιστή με τροφοδοσία από το δίκτυο, αλλά υπερβολικά ενεργοβόρα για ένα σύστημα που τροφοδοτείται από δυο μικρές μπαταρίες. Έτσι συνοψίζοντας τις προϋποθέσεις που πρέπει να πληροί ένα Λ.Σ. για WSN είναι[27]: Μικρή έκταση κώδικα. Δεδομένης της περιορισμένης μνήμης ενός κόμβου, ο πυρήνας του λειτουργικού πρέπει να υλοποιείται από τον ελάχιστο δυνατό κώδικα. Παροχή μηχανισμού διαχείρισης πόρων συστήματος και ενεργείας. Ο χρόνος επεξεργαστή και η μνήμη πρέπει να κατανέμονται κατάλληλα, έτσι ώστε να διασφαλίζεται η ομαλή λειτουργία και η τήρηση αυστηρής προτεραιότητας στην εκτέλεση των διεργασιών. Η διαχείριση ενέργειας πρέπει να αποσκοπεί στην μεγιστοποίηση της ζωής ενός κόμβου, κάνοντας σωστή χρήση των ενεργειακών καταστάσεων του επεξεργαστή (π.χ. τοποθέτηση σε idle ή sleep κατάσταση όταν αυτό είναι δυνατό). Παροχή διεπαφής προγράμματος-εφαρμογής (Application Program Interface). Δυνατότητα επαναπρογραμματισμού. Σε ένα WSN είναι συχνό φαινόμενο ο επαναπροσδιορισμός της λειτουργίας ενός κόμβου, είτε όσον αφορά τη συλλογή δεδομένων και τη συμπεριφορά του στο δίκτυο, είτε όσον αφορά την προσαρμογή της κατανάλωσης ενέργειας. Η σχεδίαση να είναι modular για να μπορούμε να φτιάξουμε γρήγορα και εύκολα εφαρμογές. Υπάρχουν πολλά Λειτουργικά Συστήματα για WSN με ποιο γνωστά τα TinyOS, MANTIS, Contiki, Eyes, BTnut κ.α. Το ποιό διαδεδομένο όμως από όλα, και το οποίο χρησιμοποιήσαμε στην εφαρμογή μας, είναι το TinyOS To TinyOS είναι από τα πρώτα λειτουργικά συστήματα που σχεδιάστηκαν ειδικά για WSN και είναι open source. Η ανάπτυξη του ξεκίνησε από το πανεπιστήμιο Berkeley της Καλιφόρνια και η πρώτη έκδοση κυκλοφόρησε το Υποστηρίζει μέχρι στιγμής διαφόρων ειδών πλατφόρμες hardware, εμπορικές και μη, όπως η MicaZ της εταιρίας 65

66 Crossbow, η imote της Intel και η Eyes, αποτέλεσμα κοινοπραξίας Ευρωπαϊκών πανεπιστημίων και εταιριών. Η ανάπτυξη των εφαρμογών TinyOS γίνεται σε μια νέα γλώσσα διάλεκτο της C, προσαρμοσμένη στις απαιτήσεις και τους περιορισμούς των WSN, την NesC (Network embedded systems C). Ο compiler της nesc καθώς και τα απαραίτητα εργαλεία Atmel AVR binutils είναι γραμμένα σε C. Το λειτουργικό περιέχει επίσης ενσωματωμένες κάποιες βοηθητικές εφαρμογές σε Java. Η εγκατάσταση του γίνεται σε ένα host PC, (με λειτουργικό Linux ή Windows με την προσθήκη του Unix προσομοιωτή, Cygwin), μέσω της σειριακής ή της USB θύρας του οποίου, γίνεται ο προγραμματισμός των κόμβων και η συλλογή των δεδομένων. Τελευταία έκδοση είναι η 2.12, που κυκλοφόρησε τον Αύγουστο του Στην ιστοσελίδα του project αναφέρεται ότι πολλές ερευνητικές ομάδες χρησιμοποιούν πλατφόρμες που τρέχουν TinyOS συνεισφέροντας στην ανάπτυξη κώδικα, ενώ άλλες κοινότητες μέσω προσομοιώσεων ελέγχουν νέα πρωτόκολλα και αλγόριθμους με αποτέλεσμα ο μέσος αριθμός λήψης των εργαλείων από την σελίδα να ξεπερνά τις τον χρόνο Τα πρωτόκολλα RPL και RPL-EBP Για την επικοινωνία των αισθητήρων μεταξύ τους, εφαρμόστηκαν και δοκιμάστηκαν διάφορα πρωτόκολλα δρομολόγησης. Εδώ θα αναφερθούμε στο πρωτόκολλο RPL, στο πρωτόκολλο RPL-EBP (μία βελτίωση του RPL που καταφέραμε) και στην αξιολόγησή τους μέσα από πειράματα που εφαρμόστηκαν στο δίκτυο αισθητήρων που αναπτύχθηκε. Ένα έξυπνο σύστημα διαχείρισης κτιρίου συνήθως αποτελείται από πολλούς αισθητήρες, που εκτείνονται σε όλη την περιοχή του κτιρίου, και διαδίδουν δεδομένα, συνεργαζόμενοι μεταξύ τους, σε ένα ενιαίο κέντρο ελέγχου. Λόγω των περιορισμών των adhoc χαρακτηριστικών οι αλγόριθμοι δρομολόγησης είναι απαραίτητοι προκειμένου να επιτευχθεί αξιόπιστη και αποδοτική λειτουργία. Η IETF έχει αναπτύξει ένα συγκεκριμένο πρωτόκολλο δρομολόγησης, το IPv6 πρωτόκολλο δρομολόγησης για LLNs (IPv6 Routing Protocol for LLNs - RPL), προκειμένου να επιτευχθεί αξιόπιστη και αποδοτική δρομολόγηση σε τέτοια δίκτυα[28]. Το RPL είναι ένα πρωτόκολλο δρομολόγησης που λειτουργεί πάνω από το ΙΕΕΕ MAC πρωτόκολλο και παρέχει ένα μηχανισμό για point-to-point κίνηση στο εσωτερικό του δικτύου. Η διαδικασία της δρομολόγησης λειτουργεί με την οργάνωση του LLN σε κατευθυνόμενα και άκυκλα γραφήματα και έτσι σχηματίζεται μια δενδρική δομή. Το πρωτόκολλο χρησιμοποιεί μια συνάρτηση που αναθέτει σε κάθε κόμβο μια τιμή η οποία ενεργεί ως βαθμός εντός της δομής του δέντρου και μέσω της οποίας καταφέρνει να βρει βέλτιστες διαδρομές για τον προορισμό. Αρκετοί από τους αισθητήρες που χρησιμοποιήσαμε για διάφορους λόγους στο κτίριο λειτουργούν με μπαταρίες. Ο πιο σημαντικός και περιοριστικός παράγοντας στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων (WSNs) είναι η διαθέσιμη ενέργεια στους αισθητήρες. Σε multihop 66

67 δίκτυα, όπως τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων, υπάρχει η τάση να εμφανίζονται φαινόμενα συμφόρησης γύρω από το κέντρο ελέγχου (Sink), όπου κατά κύριο λόγο οι γειτονικοί κόμβοι του Sink εξυπηρετούν την κίνηση που προέρχεται από απομακρυσμένες περιοχές του δικτύου. Κόμβοι που βρίσκονται κοντά στο Sink καταναλώνουν την ενέργειά τους πολύ πιο γρήγορα και αυτό ως έχει ως αποτέλεσμα το δίκτυο να αποκόπτεται ακόμα και αν κάποιοι μακρινοί κόμβοι έχουν υψηλά αποθέματα ενέργειας. Με στόχο την σωστή διαχείρισης της ενέργειας στο σύστημα μας, εφαρμόσαμε το γνωστό πρωτόκολλο δρομολόγησης EBP (Energy Balance Protocol)[29] για την εξισορρόπηση της ενέργειας στο δίκτυο. Το πρωτόκολλο αυτό εγγυάται ότι η μέση ενέργεια που δαπανάται ανά αισθητήρα είναι η ίδια για όλους τους αισθητήρες που χρησιμοποιούμε, οδηγώντας έτσι σε αυξημένη διάρκεια ζωής του δικτύου. Το πρωτόκολλο λειτουργεί χρησιμοποιώντας μια μικτή στρατηγική δρομολόγησης σύμφωνα με την οποία, κάθε κόμβος του δικτύου αποφασίζει πιθανοτικά είτε να διαδώσει τα δεδομένα από έναν κόμβο προς τον προορισμό του ή να στείλει το μήνυμα απευθείας στον προορισμό. Κατά συνέπεια, υπάρχει ένα ισοζύγιο μεταξύ φθηνής, αλλά αργής multihop μετάδοσης και άμεσης, αλλά ακριβής, από την άποψη της ενέργειας, και των μεταδόσεων απευθείας στον προορισμό. Εικόνα 3.13 Ο ενεργειακός χάρτης των κόμβων του δικτύου Εδώ, το Energy Balance πρωτόκολλο υλοποιήθηκε για τη στοίβα δικτύου του TinyOS, ως μια επέκταση του RPL πρωτοκόλλου και είναι πλήρως λειτουργικό για IPv6 δικτύωση, χρησιμοποιώντας Coap. Θα το ονομάσουμε RPL-ΕΒΡ. Τα δύο αυτά πρωτόκολλα αξιολογήθηκαν πειραματικά αφού το κάθε ένα δοκιμάστηκε για περίοδο δύο μηνών σε πραγματικές συνθήκες. Οι μετρήσεις έγιναν σε έναν χώρο έξι γραφείων, για λόγους απλούστευσης των πειραμάτων και οι κόμβοι υλοποιούσαν ένα multihop δίκτυο 5 βημάτων. Σημειώνουμε ότι σε μεγαλύτερα δίκτυα που δεν μπορούν να γίνουν απευθείας μεταδώσεις από πολύ μακρινούς κόμβους προς το sink μπορούν να εφαρμοστούν ιεραρχικές υλοποιήσεις. Στην εικόνα 3.13 φαίνεται για το κάθε πρωτόκολλο η ενέργεια του κάθε κόμβου, μετά από την μετάδοση μηνυμάτων που παράθχηκαν κανονικά κατανεμημένα στους κόμβους. Το sink σε κάθε περίπτωση βρίσκεται στο χαμηλότερο σημείο κάθε σχήματος. Οι κόμβοι με το πιο σκούρο χρώμα είναι αυτοί με την λιγότερη ενέργεια στην μπαταρία τους, 67

68 ενώ οι πιο ανοιχτόχρωμοι είναι αυτοί με το μεγαλύτερο απόθεμα ενεργείας στην μπαταρία τους. Το ποσό της ενέργειας προέκυψε από την διαφορά δυναμικού στους πόλους της μπαταρίας. Είναι φανερό από το σχήμα ότι το RPL-EBP πετυχαίνει καλύτερη εξισορρόπηση ενέργειας σε όλο το δίκτυο. Αντίθετα, το RPL επιβαρύνει πολύ τους κόμβους κοντά στο sink, δημιουργώντας μία bottleneck περιοχή γύρω του, με αποτέλεσμα να αποκοπεί το δίκτυο μετά από ένα διάστημα. Εκτός από την εξοικονόμηση ενέργειας που πετυχαίνουμε με ένα EBP πρωτόκολλο, πετυχαίνουμε επιπλέον ένα πιο «γρήγορο» δίκτυο αφού μειώνεται ο μέσος χρόνος παράδοσης ενός μηνύματος όπως φαίνεται και στην εικόνα Εικόνα 3.14 Ο μέσος χρόνος παράδοσης των μηνυμάτων σε hops και η μέση κατανάλωση ενέργειας σε volts CoAP Το πρωτόκολλο CoAP έχει δημιουργηθεί βασισμένο στην ιδέα ότι θα τρέχει κυρίως σε ενσωματωμένα συστήματα, τα οποία δεν θα έχουν δυνατές προδιαγραφές όσον αφορά το υλικό (hardware). Επιπλέον είναι σχεδιασμένο έτσι ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συσκευές που ανήκουν στο «Internet of Things» και έχουν την δυνατότητα για Machine to Machine επικοινωνία. Σκοπός του CoAP είναι να εισάγει ένα νέο πρωτόκολλο σε επίπεδο εφαρμογής, το οποίο θα μοιάζει σε χαρακτηριστικά με το γνωστό μας HTTP αλλά δεν θα περιέχει κάποιες από τις λειτουργίες του, καθώς είναι περιττές (για το δίκτυο αισθητήρων) και προσδίδουν μεγάλη πολυπλοκότητα και πλεονασμό στις λειτουργίες που θέλουμε να επιτύχουμε. Για να επιτευχθεί η μείωση της πολυπλοκότητας το CoAP κάνει χρήση του UDP ( User Datagram Protocol ) πρωτοκόλλου αντί για το TCP το οποίο και χρησιμοποιεί το HTTP. Τα στοιχεία που οδηγούν στην μείωση της πολυπλοκότητας και εν τέλη στο αποτέλεσμα που θέλουμε να πετύχουμε είναι[30]: 68

69 Το UDP πρωτόκολλο δεν αναμένει πακέτα επιβεβαίωσης (ACK) για την σωστή παραλαβή του πακέτου από τον παραλήπτη άρα έχουμε μικρότερη ανταλλαγή πακέτων. Δεν δημιουργεί κάποιο είδος σύνδεσης ανάμεσα στον αποστολέα και τον παραλήπτη, συνεπώς δεν διατηρεί κάποια κατάσταση για την σύνδεση. Προσθέτει λιγότερη επιπλέον πληροφορία στα προς αποστολή πακέτα. Τα πακέτα λαμβάνονται από τον παραλήπτη χωρίς εκείνος να γνωρίζει την κανονική τους σειρά, άρα δεν απαιτείται ειδική σήμανση από τον αποστολέα η οποία θα επιβάρυνε το μέγεθος του πακέτου. Υποστήριξη για broadcast και multicast επικοινωνία. Μειώνει την συμφόρηση στο δίκτυο και επιτρέπει στην εφαρμογή να εξασφαλίσει με τον δικό της τρόπο την αξιοπιστία των δεδομένων. Όλα τα παραπάνω χαρακτηριστικά βελτιώνουν την ταχύτητα μετάδοσης των δεδομένων καθώς το TCP επιβαρύνει με πρόσθετη πληροφορία, πέραν της ωφέλιμης (δεδομένα), το κάθε πακέτο ώστε να εξασφαλίσει την αξιόπιστη μετάδοση του. Τα πλεονεκτήματα που προσφέρει το UDP είναι ικανά να μας κάνουν να παραβλέψουμε τα αρνητικά, τα οποία υφίστανται κυρίως στην αξιοπιστία της μετάδοσης λόγω της απουσίας ελέγχου από το UDP. Το πρωτόκολλο είναι κατάλληλο για χρήση σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων, καθώς στην επικοινωνία μεταξύ συστημάτων χαμηλής κατανάλωσης και ισχύος θέλουμε αυτά να βρίσκονται περισσότερη ώρα σε αναμονή (sleep) και να κάνουν όσο το δυνατόν λιγότερους υπολογισμούς. Επιπλέον λόγω της περιορισμένης μνήμης αυτών των συστημάτων θέλουμε ένα πρωτόκολλο που δεν θα εξαρτάται από την προηγούμενη ή γενικά από κάποια κατάσταση (stateless). Για να διατηρήσουμε την αξιοπιστία που προσφέρει το TCP λειτουργώντας με UDP εισάγουμε δυο επίπεδα στο CoAP[30]: Επίπεδο συναλλαγής (Transaction Layer). Επίπεδο Αίτησης / Απάντησης (Request / Response). Στο επίπεδο συναλλαγής γίνεται η διαχείριση απλών μηνυμάτων που ανταλλάσσονται μεταξύ των κόμβων. Τα είδη μηνυμάτων που διαχειρίζεται αυτό το επίπεδο είναι : Προς επιβεβαίωση μηνύματα (Confirmable), τα οποία απαιτούν επιβεβαίωση ότι το πακέτο που θέλαμε να στείλουμε μεταδόθηκε σωστά (απαιτεί ενα Acknowledgement μήνυμα ως απάντηση) Μηνύματα που δεν απαιτούν επιβεβαίωση (Non-Confirmable) δηλαδή δεν μας ενδιαφέρει να μάθουμε αν μεταδόθηκε σωστά το πακέτο. Μηνύματα επιβεβαίωσης (Acknowledgement), τα οποία επιβεβαιώνουν στον αποστολέα ότι παραλήφθηκε το πακέτο (έχει προηγηθεί Confirmable μήνυμα). Μηνύματα επαναφοράς (Reset) τα οποία έχουν παρόμοια χρήση με τα μηνύματα επιβεβαίωσης, δηλαδή ότι το πακέτο ελήφθη αλλά δεν εμπεριέχει κάποιο περιεχόμενο. Τα μηνύματα αίτησης και απάντησης ενσωματώνονται (piggybacked) με κάποιο από τα παραπάνω μηνύματα. Στην περίπτωση που θέλουμε να κάνουμε μια αίτηση 69

70 χρησιμοποιώντας το πρωτόκολλο CοAP την ενσωματώνουμε σε ένα από τα Confirmable ή Non-Confirmable μηνύματα αναλόγως με το αν επιζητούμε επιβεβαίωση για την σωστή παραλαβή του μηνύματος από τον αποδέκτη. Αντίστοιχα, στην περίπτωση που λαμβάνουμε κάποια απάντηση αυτή θα βρίσκεται μέσα σε κάποιο μήνυμα επιβεβαίωσης (Acknowledgment)[30]. Η χρήση των παραπάνω δύο επιπέδων καταφέρνει να παρέχει αξιοπιστία στην μεταφορά χωρίς την χρήση TCP. Αυτό επιτυγχάνεται με την χρήση ενός μηχανισμού επαναμετάδοσης ενός μηνύματος προς επιβεβαίωση (Confirmable) στην περίπτωση που δεν ληφθεί μήνυμα επιβεβαίωσης (Acknowledgment) από τον παραλήπτη μέσα σε ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα (timeout). Η επαναμετάδοση γίνεται μετά από συγκεκριμένο χρονικό διάστημα το οποίο σε κάθε επανάληψη αυξάνεται εκθετικά. Οι αισθητήρες telosb που χρησιμοποιούμε έχουν χαμηλή επεξεργαστική ισχύ, συνεπώς υπάρχει περίπτωση να χρειαστούν αρκετό χρόνο ώστε να επεξεργαστούν μια αίτηση. Μια ιδιαίτερη δυνατότητα του συγκεκριμένου πρωτοκόλλου που λύνει το συγκεκριμένο πρόβλημα είναι η δυνατότητα για ασύγχρονη απάντηση σε μια αίτηση. Η διαδικασία για την υλοποίηση της ασύγχρονης μετάδοσης στηρίζεται στην επιλογή να αποστέλλεται ένα μήνυμα επιβεβαίωσης πριν όμως εξυπηρετηθεί η αίτηση, ώστε να γνωρίζει ο αποστολέας ότι το μήνυμα εστάλη σωστά. Στην συνέχεια και όταν ολοκληρωθεί η απαιτητική διεργασία που απαιτούνταν τότε θα γίνει και η αποστολή της απάντησης, ασύγχρονα, εφόσον το Acknowledge θα έχει ήδη σταλεί. Εικόνα 3.15 Στοίβα πρωτοκόλλων στους αισθητήρες Όπως αναφέραμε το CoAP έχει πολλές ομοιότητες με το HTTP και αυτές υφίστανται στον τρόπο με τον οποίο αλληλεπιδρούμε με τους πόρους που εισάγει το κάθε πρωτόκολλο κατά την λειτουργία του στην εκάστοτε συσκευή / εξυπηρετητή. Οι μέθοδοι για την πρόσβαση και την παραμετροποίηση των πόρων είναι οι εξής [30][31]: 70

71 GET αίτηση για την ανάκτηση ενός συγκεκριμένου πόρου. Η μέθοδος χρησιμοποιείται για ανάγνωση δεδομένων χωρίς να έχει κάποια επίδραση πάνω τους. PUT αίτηση για δημιουργία ενός πόρου. POST αίτηση για επεξεργασία ενός πόρου (ανανέωση). DELETE διαγραφή του πόρου που βρίσκεται στον εξυπηρετητή. Παρατηρούμε ότι αυτές οι μέθοδοι που υλοποιούνται από το COAP βασίζονται στην REST αρχιτεκτονική. Επίσης η διάκριση ανάμεσα στο PUT και το POST είναι λεπτή καθώς και τα δύο μπορούν να χρησιμοποιηθούν ώστε να υλοποιήσουν την λειτουργία του άλλου. Όσον αφορά την αναπαράσταση των δεδομένων το COAP υποστηρίζει την χρήση διάφορων τύπων δεδομένων. Μεταξύ αυτών βρίσκεται το XML (Extensive Markup Language) και το JSON (Javascript Object Notation). Η χρήση του XML δεν αποτελεί ιδανική επιλογή καθώς η προσπέλαση XML δεδομένων απαιτεί μεγάλο κόστος για συσκευές με χαμηλές προδιαγραφές. Αντίθετα το JSON χρησιμοποιώντας μια πιο απλή μορφή αναπαράστασης κειμένου, αποφεύγει το προηγούμενο πρόβλημα αλλά δεν αποτελεί και πάλι ιδανική επιλογή καθώς δεν είναι τόσο ευέλικτο όσο η XML. Συνεπώς, ταυτόχρονα με την ανάπτυξη του COAP γίνονται προσπάθειες για την δημιουργία ενός νέου τρόπου αναπαράστασης που θα είναι προσαρμοσμένος στις ανάγκες της νέας κατηγορίας συστημάτων (low power embedded systems, smart objects). Πάνω σε αυτή την κατεύθυνση δημιουργήθηκε μια νέα μορφή αναπαράστασης βασισμένη στην XML, η EXI (Extensible XML Interchange). Εικόνα 3.16 Παράδειγμα REST αρχιτεκτονικής με CoAP και HTTP Έχοντας παρουσιάσει αναλυτικά κάποιες πλευρές τους πρωτοκόλλου COAP μπορούμε να δούμε συνοπτικά τις προδιαγραφές με τις οποίες έγινε ο σχεδιασμός του και συνεπώς η επιλογή του,ώστε να ταιριάζει στις προδιαγραφές του συστήματος που θέλουμε να επιτύχουμε: 71

72 Μικρό μέγεθος πακέτων (επικεφαλίδων) για μικρότερη επιβάρυνση και λιγότερη πολυπλοκότητα. Υποστήριξη για URI που χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν πόρους ( Resources ). Σχεδιασμένο με βάση την RESTFul αρχιτεκτονική που χρησιμοποιεί και το HTTP, κάνοντας την μετατροπή ανάμεσα στο CοAP και το HTTP ευκολότερη. Δυνατότητα για αναζήτηση και εύρεση των διαθέσιμων πόρων που υπάρχουν σε έναν εξυπηρετητή ( server ). Δυνατότητα περιοδικών ενημερώσεων από κάθε πόρο του συστήματος (σε καθορισμένα χρονικά σημεία) στην περίπτωση που κάποιος πελάτης (client) έχει κάνει εγγραφή (subscription) ώστε να λαμβάνει αυτές τις ενημερώσεις (observe). Το CoAP επελέγη ως βασικό πρωτόκολλο με το οποίο θα επικοινωνούν τα έξυπνα αντικείμενα (που έχουν μετατραπεί από το Κύβο Ελέγχου) στον χώρο (Έξυπνο Δωμάτιο) λόγω των μειωμένων απαιτήσεων του σε ισχύ καθώς και της δυνατότητας που παρέχει για εύκολη μεταπήδηση από το συγκεκριμένο πρωτόκολλο στο HTTP. Το HTTP απαιτείται από τις προδιαγραφές του συστήματος μας ώστε να υπάρχει εύκολη πρόσβαση στο σύστημα από οπουδήποτε LowPan Στις προηγούμενες παραγράφους είδαμε κάποια πρότυπα τα οποία επιτρέπουν την επικοινωνία μεταξύ συσκευών χαμηλής κατανάλωσης (αισθητήρες). Αυτό πραγματοποιούνταν με την χρήση του ΙΕΕΕ Όμως το ζητούμενο είναι αυτές οι συσκευές να μπορούν να επικοινωνήσουν και με άλλες μέσω του Internet. Αυτό μπορεί να συμβεί στην περίπτωση που οι συσκευές αυτές χρησιμοποιούν το IP πρωτόκολλο, γεγονός που θα επιτρέψει σε αυτές να αποκτήσουν μια IP διεύθυνση. Με την δημιουργία όλο και περισσότερων ασύρματων δικτύων αισθητήρων (WSN) και λόγω της μεγάλης χρήσης των IP δικτύων έπρεπε να βρεθεί μια λύση ώστε να συνδυαστούν αυτά τα δύο ετερογενή δίκτυα. Αυτό πραγματοποιείται με το 6loWPAN [32] και η ιδέα είναι να μπορούν όλες οι συσκευές ανεξαρτήτως επεξεργαστικών δυνατοτήτων να μπορούν να συμμετέχουν στην ιδέα του Internet of Things. Χρησιμοποιείται κατά κόρον στα δίκτυα αισθητήρων που απαιτούν πρόσβαση στο Internet. Το 6loWPAN παρουσιάζει τις διαδικασίες και τις προδιαγραφές που απαιτούνται ώστε να προσαρμοστεί η TCP/IP (ή UDP) επικοινωνία πάνω στο ΙΕΕΕ πρότυπο. Το 6loWPAN (Low power Wireless Personal Area Networks) έχει δημιουργηθεί από την ομάδα IETF και χρησιμοποιεί το IP πρωτόκολλο και συγκεκριμένα την τελευταία έκδοση του (IPv6) για να πλαισιώσει (framing) τα πακέτα δεδομένων με τις κατάλληλες πληροφορίες που χρειάζονται. Αποτελεί ένα πλαίσιο προδιαγραφών που εφαρμόζονται στα διάφορα 72

73 επίπεδα του OSI μοντέλου. Η χρήση του IPv6 πάνω σε συσκευές που λειτουργούν με το πρότυπο ΙΕΕΕ προσφέρει: IPv6 διεύθυνση σε ενσωματωμένα συστήματα. Επικοινωνία με άλλες συσκευές. Επικοινωνία με συσκευές που ανήκουν σε οποιοδήποτε δίκτυο που κάνει χρήση του IP (με χρήση των μεθόδων που είδαμε στην προηγούμενη παράγραφο μπορεί να επικοινωνήσει είτε με δίκτυα IPv4 είτε IPv6). Ο βασικός ρόλος του 6loWPAN είναι η προσαρμογή του TCP/IP, ώστε να είναι δυνατή η χρήση του πάνω από συσκευές που χρησιμοποιούν το IEEE Εικόνα 3.17 Παράδειγμα 6LoWPAN στοίβας Οι επικεφαλίδες που χρησιμοποιεί το TCP/IP (ή το UDP) είναι μεγάλες συγκριτικά με το μέγεθος του πακέτου που υποστηρίζει το πρότυπο IEEE , γεγονός που οδηγεί στην προσαρμογή των επικεφαλίδων (συμπίεση) από το 6loWPAN ώστε να μπορούν να μεταφερθούν τα δεδομένα αποτελεσματικά. Επιπλέον το IPv6 απαιτεί πακέτα της τάξης των 1280 bytes(mtu - maximum transmission unit) σε αντίθεση με το ΙΕΕΕ που έχει μέγιστο μέγεθος πλαισίου 128bytes. Συνεπώς πρέπει να γίνει και μια προσαρμογή στο πρωτόκολλο IPv6 (συμπίεση). Αυτά όλα πραγματοποιούνται με την αφαίρεση κάποιων δεδομένων στα πρωτόκολλα, δεδομένα τα οποία δεν είναι απαραίτητα από τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. 73

74 3.4. Πρόσβαση από το διαδίκτυο Τα κύρια κομμάτια του συστήματος, που είναι υπεύθυνο για την πρόσβαση στους αυτοματισμούς από το διαδίκτυο, είναι τα εξής: Constrained Network, όπου είναι το δίκτυο των ενσωματωμένων συστημάτων που είναι εφοδιασμένα με κάποιους αισθητήρες και επικοινωνούν μεταξύ τους με το πρότυπο ΙΕΕΕ Gateway είναι η μονάδα που επιτρέπει στις άλλες μονάδες να αποκτήσουν πρόσβαση στο ασύρματο δίκτυο αισθητήρων. Resource Directory,είναι η μονάδα που διατηρεί σε μια βάση δεδομένων τις απαραίτητες πληροφορίες ώστε οι υπόλοιπες συσκευές του δικτύου να έχουν γνώση του Constrained Network και των κόμβων που διαθέτει. Web service, είναι η μονάδα που σε συνδυασμό με το Resource Directory και το Gateway επιτρέπουν στο δίκτυο αισθητήρων (Constrained Network) να βγουν στο διαδίκτυο. Είναι η μονάδα που κάνει την μετατροπή από IPv4 σε IPv6 και επίσης την μετατροπή από HTTP σε CoAP. Μερικές λειτουργίες της μονάδας αυτής είναι περιττές στην περίπτωση που ο πάροχος Internet υποστηρίζει IPv6 και επιπλέον ο πελάτης που θέλει να έχει πρόσβαση στο δίκτυο μπορεί να επικοινωνήσει σε CoAP. Επειδή κανένα από τα δύο νέα πρότυπα δεν είναι διαθέσιμα, την χρονική περίοδο που πραγματοποιήθηκε η εργασία, δημιουργήθηκε το web service ώστε να γεφυρώσει τα νέα με τα παλιά πρότυπα. Εικόνα 3.18 Τα βασικά μέρη του Web Proxy 74

75 Constrained Network και Gateway Constrained Network (Δίκτυο Αισθητήρων) Ο όρος Constrained Network αναφέρεται σε δίκτυα που αποτελούνται από κόμβους περιορισμένων δυνατοτήτων. Το δικό μας δίκτυο όπως είδαμε αποτελείται από ενσωματωμένα συστήματα TelosB τα οποία επικοινωνούν με το πρότυπο IEEE και χρησιμοποιούν το πρωτόκολλο CoAP για να επεκταθούν στο Ιnternet. Ένας κόμβος του δικτύου συμπεριφέρεται ως gateway. Ο κάθε κόμβος του δικτύου μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αισθητήρας και ως actuator. Η περίπτωση να χρησιμοποιείται ως αισθητήρας είναι πιο απλή καθώς δεν απαιτείται περαιτέρω διαδικασία πέρα από την τοποθέτηση του κόμβου στον χώρο. Αντιθέτως αν θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε τον κόμβο σαν actuator, δηλαδή να ελέγξουμε μια συσκευή στον χώρο, θα πρέπει να τον συνδέσουμε κατάλληλα με την συσκευή που θέλουμε να ελέγξουμε [33]. Gateway (Sink) Όπως αναφέραμε η χρήση του Gateway είναι απαραίτητη ώστε να προωθήσουμε στο δίκτυο αισθητήρων την κίνηση που προορίζεται για αυτό και ταυτόχρονα να μπορεί το δίκτυο να στείλει τα πακέτα του μέσω Internet. Το πρόβλημα έγκειται στο γεγονός ότι το ασύρματο δίκτυο αισθητήρων χρησιμοποιεί διαφορετικό πρότυπο από αυτά που έχουμε συνηθίσει και υπάρχουν συνήθως στους χώρους που ζούμε. Τέτοια συνηθισμένα πρότυπα είναι το IEEE (WiFi) και το IEEE (Ethernet) τα οποία επιτρέπουν στις συσκευές μας να επικοινωνούν με το διαδίκτυο. Οι συσκευές που κάνουν αυτή τη δουλειά είναι οι δρομολογητές, οι οποίοι λαμβάνουν τα πακέτα που προορίζονται για εμάς μέσω της τηλεφωνικής γραμμής και στην συνέχεια,χρησιμοποιώντας κάποιο από τα βασικά πρότυπα που είδαμε προηγουμένως, τα προωθούν στις συσκευές του δικτύου. Στην περίπτωση λοιπόν που κάποιο από τα πακέτα προορίζεται για το ασύρματο δίκτυο αισθητήρων θα πρέπει ο δρομολογητής να το μεταδώσει χρησιμοποιώντας το πρότυπο IEEE που όμως δεν υποστηρίζεται σε κανένα κοινό δρομολογητή. Για την λύση λοιπόν του παραπάνω προβλήματος, χρησιμοποιούμε έναν από τους κόμβους του δικτύου και τον μετατρέπουμε σε δρομολογητή (Point to Point router). Αυτός ο δρομολογητής είναι συνδεδεμένος με την σειρά του μέσω USB στον υπολογιστή που τρέχει τον server για το web service. Ο υπολογιστής ρυθμίζεται με τέτοιον τρόπο ώστε τα πακέτα που προορίζονται για το IPv6 δίκτυο αισθητήρων να προωθούνται μέσω USB στον κόμβο που είναι συνδεδεμένος με τον υπολογιστή. Στην συνέχεια ο κόμβος, ο οποίος συμπεριφέρεται ως Point to Point router, στέλνει τα πακέτα στο υπόλοιπο δίκτυο με το πρότυπο ΙΕΕΕ που υποστηρίζεται από όλους τους κόμβους. Όταν λοιπόν η αίτηση φτάσει στον κατάλληλο κόμβο, με την σειρά του αυτός ο κόμβος θα την εξυπηρετήσει και θα δημιουργήσει την απάντηση. Με την αντίθετη διαδικασία αυτή τη φορά, η απάντηση θα διαδοθεί αρχικά μέσω IEEE στον κόμβο που λειτουργεί ως δρομολογητής και 75

76 στην συνέχεια μέσω USB στον υπολογιστή. Από τον υπολογιστή (και εφόσον γίνει η επεξεργασία που θα δούμε στο κεφάλαιο με το web service), στην περίπτωση που η αίτηση προήλθε μέσω του Ιnternet, θα οδηγηθεί στον «συνηθισμένο» δρομολογητή μέσω WiFi ή Ethernet και από εκεί και πέρα θα φτάσει μέσω του διαδικτύου στον προορισμό του[34] Resource Directory Το Resource Directory είναι ένα βασικό στοιχείο της υλοποίησης καθώς χρησιμοποιείται κατά κόρον από τις υπόλοιπες μονάδες που συνθέτουν την αρχιτεκτονική μας. Ονομάζεται έτσι καθώς η βασική του λειτουργία είναι η διατήρηση και η διαχείριση όλων των πόρων του δικτύου. Είναι η μονάδα που διατηρεί σε μια βάση δεδομένων όλα τα στοιχεία που απαιτούνται, ώστε να γνωρίζουμε την κατάσταση του δικτύου αισθητήρων ανά πάσα στιγμή. Η δουλειά της συγκεκριμένης μονάδας είναι να διατηρεί στην βάση δεδομένων τους ενεργούς κόμβους του δικτύου και ταυτόχρονα να την εμπλουτίζει με επιπλέον πληροφορία. Η επιπλέον πληροφορία θα παρέχει την δυνατότητα στις μονάδες που απαρτίζουν την αρχιτεκτονική να μπορούν να έχουν πρόσβαση σε κάθε κόμβο του δικτύου γνωρίζοντας ακριβώς τις λειτουργίες που παρέχει. Η ύπαρξη του είναι απαραίτητη ώστε να μην απαιτείται η αναζήτηση σε ολόκληρο το δίκτυο κάθε φορά που θέλουμε μια πληροφορία από έναν κόμβο. Το resource directory θα παρέχει πληροφορίες για το πώς να προσπελάσουμε τον κάθε ενεργό κόμβο. Αυτό που κάνει είναι ο εντοπισμός και ο περιοδικός έλεγχος των κόμβων του δικτύου αισθητήρων. Εικόνα 3.19 Το διάγραμμα του Resource Directory 76

77 Επιγραμματικά οι λειτουργίες του Resource Directory: Καταγραφή όλων των ενεργών κόμβων. Διατήρηση ip διευθύνσεων όλων των κόμβων. Διατήρηση των ενεργών πόρων του κάθε κόμβου (resource). Περιοδικός έλεγχος του δικτύου για εντοπισμού ανενεργών κόμβων. Για να λειτουργήσει σωστά το resource directory, ώστε η βάση δεδομένων να περιέχει μια σωστή αναπαράσταση του δικτύου σε κάθε χρονική στιγμή, δημιουργήθηκαν κάποιες επιμέρους συνιστώσες που απαρτίζουν το resource directory. Στην βάση δεδομένων λοιπόν αποθηκεύονται οι διαθέσιμοι κόμβοι του δικτύου. Ο εντοπισμός τους ώστε να διατηρηθούν σε αυτή γίνεται από έναν CoAP server που δέχεται αιτήσεις από τους νέους κόμβους που εισέρχονται στο δίκτυο. Οι κόμβοι που είναι αποθηκευμένοι στην βάση δεδομένων ελέγχονται περιοδικά από το Polling Service ώστε να βεβαιωθούμε ότι είναι ακόμα διαθέσιμοι (αλλιώς διαγράφονται). Τέλος υπάρχει μια ιστοσελίδα ώστε να διαχειρίζεται ο υπεύθυνος του δικτύου τους κόμβους. Το Resource Directory λειτουργεί με τον τρόπο που φαίνεται και στην Εικόνα παραπάνω Web Service Το Web Service είναι υπεύθυνο για να παρέχει μια RESTfull API για τους εξωτερικούς χρήστες του συστήματος που τους επιτρέπει να συνθέτουν τις δικές τους εφαρμογές αυτοματισμών του κτιρίου που θα χρησιμοποιήσουν τους πόρους που προβλέπονται από το σύστημα για την εφαρμογή έξυπνων / πράσινων σεναρίων για το δωμάτιο. Πιο συγκεκριμένα, χρησιμοποιείται το Californium Coap framework [35], προκειμένου να εκτελέσει τη μετάφραση ανάμεσα στα HTTP και Coap πρωτόκολλα, μεταφράζοντας τις αιτήσεις που φθάνουν στον HTTP server του συστήματος και στη συνέχεια προωθούνται στο δίκτυο αισθητήρων, μέσω του sink. Όταν ένας αισθητήρας απαντήσει στα αιτήματα, τα μετατρέπει πρώτα σε μια κατάλληλη μορφή (π.χ. JSON, XML, κλπ) και τα αναμεταδίδει πίσω στον client του τελικού χρήστη μέσα από μια HTTP απάντηση. Το Web Service παρέχει δύο βασικούς πόρους, τα /resources και τα /status. Με τη χρήση αυτών των πόρων και περνώντας τα κατάλληλα ορίσματα, με τη μορφή αλφαριθμητικών queries, ο client του χρήστη έχει τη δυνατότητα πρόσβασης σε κάθε mote στο δικτύου, προκειμένου να πάρει (GET) ή να θέσει (PUT) τιμές σε οποιουσδήποτε πόρους του συστήματος. Για παράδειγμα, προκειμένου να λάβει την κατάσταση μιας συγκεκριμένης συσκευής του συστήματος, μια αίτηση GET αποστέλλεται αρχικά στον πόρο /status του Web Service. Μετά την εύρεση των διαθέσιμων συσκευών του δικτύου μια άλλη GET αίτηση πρέπει να αποσταλεί στο /resources με τις κατάλληλες παραμέτρους του query, προκειμένου να δοθούν σε ένα Coap GET αίτημα που θα διαβιβαστεί στο αντίστοιχο Mote. 77

78 Το query string της αίτησης GET αποστέλλεται στο Web Service το οποίο μπορεί να περιέχει τις ακόλουθες παραμέτρους: Η παράμετρος device που επιστρέφει όλους τους πόρους της συγκεκριμένη ς συσκευής, μαζί με τις τιμές τους. Η παράμετρος resource που φιλτράρει τα αποτελέσματα του προηγούμενου query και επιστρέφει μόνο τον πόρο που ορίζεται από το query string. Η παράμετρος type που ορίζει τη μορφή της απόκρισης που θα σταλεί από τον server. Πιθανές επιλογές είναι JSON, XML και απλό κείμενο. Με τη χρήση των παραπάνω παραμέτρων ο client του τελικού χρήστη μπορεί για ένα συγκεκριμένο mote είτε να κάνει GET τον συγκεκριμένο πόρο που ορίζεται από την παράμετρο του πόρου, ή να κάνει GET όλους τους πόρους που παρέχονται από το mote αυτό. Επιπλέον, ο client του τελικού χρήστη έχει η δυνατότητα να χρησιμοποιήσει την παράμετρο του πόρου στο query string για να αποκτήσει πρόσβαση σε όλα τα motes που χρησιμοποιούν το συγκεκριμένο πόρο. Αυτό είναι πραγματικά μια πολύ χρήσιμη υπηρεσία, δεδομένου ότι ο client μπορεί να πάρει τις τιμές ενός πόρου από όλα τα mote που παρέχονται ταυτόχρονα, έχοντας έτσι ένα πιο συγκεκριμένο και συνοπτικό τρόπο πρόσβασης στους πόρους του συστήματος. Για να αλλάξειi την τιμή ενός πόρου σε ένα mote του συστήματος, ένας χρήστης τoυ Web Service εκτελεί ένα αίτημα PUT στο /resources τoυ Web Service. Κατά την παραλαβή του αιτήματος PUT, το Web Service μεταφράζει το αίτημα σε ένα Coap PUT αίτημα και το διαβιβάζει στο δίκτυο αισθητήρων για να εξυπηρετηθεί από το mote που εκτελεί τον αντίστοιχο Coap server. Ένα παράδειγμα ενός PUT αιτήματος είναι το ακόλουθο: PUT resources/?device= air_condition &value=on Ο πόρος status/ παρέχει πληροφορίες σχετικά με τους πόρους που διατίθενται από το δίκτυο. Είναι υπεύθυνη για την αντιστοίχηση όλων των διαθέσιμων συσκευών και των πόρων του συστήματος, μαζί με τις απαραίτητες πληροφορίες σχετικά με το πώς να τα χειριστεί όλα αυτά Μοντελοποίηση του συστήματος Στην εικόνα 3.20 βλέπουμε ένα sequence diagram στην περίπτωση που κάποιος χρήστης πραγματοποιήσει ένα HTTP request στο webservice με σκοπό την ανάγνωση του επιπέδου φωτισμού στο έξυπνο δωμάτιο. 78

79 Εικόνα 3.20 Ένα sequence diagram όταν χρήστης πραγματοποιήσει ένα HTTP request στο webservice με σκοπό την ανάγνωση του επιπέδου φωτισμού. Αρχικά κάνουμε ένα request στο webservice ώστε να μας επιστρέψει τους διαθέσιμους αισθητήρες στον χώρο. Στην συνέχεια και αφού επιλέξουμε αυτόν που θέλουμε κάνουμε ένα επιπλέον request αυτή τη φορά με παράμετρο τον αισθητήρα που επιθυμούμε να προσπελάσουμε. Απο εκεί και πέρα το webservice αναλαμβάνει να δημιουργήσει ένα CoAP request με την κατάλληλη IPv6 διεύθυνση του αισθητήρα. Το request διαδίδεται μέσω του gateway μέσα στο δίκτυο αισθητήρων όπου με την χρήση του αλγόριθμου RPL καταλήγει στον κατάλληλο αισθητήρα. Ο αισθητήρας απαντάει με την τιμή του φωτισμού που μετράει και το μήνυμα μεταδίδεται πίσω στον χρήστη. 79

80 Αντίστοιχη διαδικασία ακολουθείται και σε ενα PUT request (ώστε να αλληλεπιδράσουμε με κάποια συσκευή), με την διαφορά ότι σε αυτή την περίπτωση στέλνουμε και την τιμή που θέλουμε στο δίκτυο αισθητήρων (εικόνα 3.21). Παράλληλα όταν το telosb λαμβάνει την αίτηση πραγματοποιεί τις κατάλληλες αλλαγές στις ψηφιακές του εξόδους που οδηγούν τον αυτοματισμό,με αποτέλεσμα την αλλαγή της κατάστασης της συσκευής που ελέγχει ο αυτοματισμός. Με αυτή τη διαδικασία αλληλεπιδρούμε με τις συσκευές στον χώρο χρησιμοποιώντας το internet και το IPv6. Εικόνα 3.21 Ένα sequence diagram όταν χρήστης πραγματοποιήσει ένα HTTP request στο webservice με σκοπό να ανάψει ένα φωτιστικό. Στην εικόνα 3.22 βλέπουμε τις κλάσεις που απαρτίζουν το webservice και απαιτούνται για να εξυπηρετηθεί μια http αίτηση προς το δίκτυο αισθητήρων. Όπως παρατηρούμε ο WebServer δέχεται αιτήσεις και χρησιμοποιώντας τις κλάσεις Resource Directory και CoapRequest κατασκευάζει μια CoAP αίτηση με την σωστή διεύθυνση προς το δίκτυο 80

81 αισθητήρων. Η αίτηση στην συνέχεια διαδίδεται στο δίκτυο μέχρι να φτάσει στον κατάλληλο κόμβο. Επιπλέον βλέπουμε και την κλάση των Σεναρίων η οποία κάνει χρήση του Web Service ώστε να αποκομίσει την κατάσταση του δικτύου και τις τελευταίες τιμές ώστε να αποφασίσει τις ενέργεις που θα πραγματοποιήσει στις συσκευές. Εικόνα 3.22 Οι κλάσεις που απαρτίζουν το webservice και απαιτούνται για να εξυπηρετηθεί μια http αίτηση προς το δίκτυο αισθητήρων. 81

82

83 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Εφαρμογές του συστήματος 4.1. Εργαστήριο ασύρματων δικτύων αισθητήρων του τμήματος Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Το δωμάτιο που επιλέχθηκε για την ανάπτυξη των αυτοματισμών ανήκει στο κτίριο ΠΡΟΚΑΤ του τμήματος Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Πληροφορικής. Βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου και είναι το δωμάτιο που αποτελεί τον κεντρικό χώρο του εργαστηρίου ασύρματων δικτύων αισθητήρων. Όπως φαίνεται και στην κάτοψη της εικόνας 4.1, το δωμάτιο που εφαρμόσαμε τους αυτοματισμούς είναι διαστάσεων 4,75m x 3,50m με ύψος 3,40m. Έχει μία είσοδο από τον εσωτερικό διάδρομο του κτιρίου και δύο παράθυρα που βρίσκονται στην ίδια πλευρά του δωματίου. Στον χώρο είναι τοποθετημένα δύο γραφεία μπροστά από τα παράθυρα, ενώ στην άλλη πλευρά του δωματίου υπάρχει ένας μεγάλος πάγκος εργασίας με τέσσερις θέσεις εργασίας, για την υλοποίηση πειραμάτων. 83

84 Εικόνα 4.1 Κάτοψη Εργαστηρίου Το ενεργειακό προφίλ του εργαστηρίου Για να μπορέσουμε να βρούμε το ενεργειακό προφίλ του δωματίου πρέπει πρώτα να δούμε την κατανάλωση ενέργειας του κάθε συστήματος που είναι εγκατεστημένο σε αυτό, και στην συνέχεια να μετρήσουμε την συνολική κατανάλωση του δωματίου ανάλογα με την χρήση που κάνουν οι χρήστες στα συστήματά του. Αρχικά ας δούμε την ηλεκτρολογική εγκατάσταση του δωματίου και πιο συγκεκριμένα τα βασικά συστήματα στα οποία θα εγκατασταθούν οι αυτοματισμοί. Τα συστήματα στα οποία εγκαταστάθηκαν οι αυτοματισμοί είναι τα συστήματα φωτισμού, σκίασης, κλιματισμού, εξαερισμού και διαχείρισης standby συσκευών. 84

85 Το σύστημα φωτισμού Στο δωμάτιο ήταν ήδη εγκατεστημένο σύστημα φωτισμού. Η ηλεκτρολογική εγκατάσταση του συστήματος φωτισμού ήταν απλή. Πιο συγκεκριμένα αποτελούνταν από τέσσερα φωτιστικά σώματα με ανταυγαστήρες, που το κάθε ένα είχε δύο λάμπες φθορισμού Τ5 36W η κάθε μία (σύνολο στο δωμάτιο 288W). Το σύστημα του φωτισμού τροφοδοτείται από τον πίνακα του κτιρίου (με καλώδιο ΝΥΜ 3x1,5mm2) που τροφοδοτεί το κουτί διακλάδωσης του φωτισμού. Τα φωτιστικά ήταν συνδεδεμένα ανά δύο με αποτέλεσμα να δημιουργούν δύο ανεξάρτητα κυκλώματα φωτισμού στον χώρο. Η παροχή του κάθε κυκλώματος (καλώδιο ΝΥΜ 3x1,5mm2) ξεκινούσε από το κουτί διακλάδωσης του φωτισμού. Τον έλεγχο λειτουργίας του κυκλώματος τον είχε ο χρήστης μέσω ενός διακόπτη κομιτατέρ που ήταν τοποθετημένος δίπλα από την πόρτα στην είσοδο του δωματίου. Στην εικόνα 4.2 βλέπουμε το ηλεκτρολογικό σχέδιο του συστήματος φωτισμού. Εικόνα 4.2 Η αρχική ηλεκτρολογική εγκατάσταση του συστήματος φωτισμού 85

86 Η αρχική ηλεκτρολογική εγκατάσταση ήταν περιοριστική όμως, γιατί αποτελούνταν από δύο κυκλώματα φωτιστικών, ενώ εμείς θα θέλαμε να έχει μεγαλύτερη ευελιξία ώστε ο αυτοματισμός μας να έχει την δυνατότητα να χειρίζεται ανεξάρτητα τα τέσσερα κυκλώματα φωτιστικών, για να μπορέσουμε να χρησιμοποιούμε μόνο τα φωτιστικά που χρειάζονται ανά περίπτωση. Έτσι για να μπορέσουμε να εκμεταλλευτούμε όλες τις δυνατότητες του αυτοματισμού έγιναν κάποιες μικροαλλαγές στην ηλεκτρολογική εγκατάσταση του συστήματος φωτισμού. Ουσιαστικά περάστηκαν ανεξάρτητες γραμμές τροφοδοσίας για το κάθε φωτιστικό από το κουτί διακλάδωσης και στην συνέχεια εγκαταστάθηκε ένας επιπλέον επίτοιχος διακόπτης κομιτατέρ. Οπότε, η τροποποιημένη ηλεκτρολογική εγκατάσταση του συστήματος φωτισμού περιλαμβάνει τέσσερα ανεξάρτητα φωτιστικά και δύο διακόπτες κομιτατέρ, τοποθετημένους δίπλα από την πόρτα στην είσοδο του δωματίου, ώστε ο χρήστης να μπορεί να αναβοσβήνει το κάθε φωτιστικό ανεξάρτητα από τα υπόλοιπα. Στο σχέδιο της εικόνας 4.3 φαίνεται η ηλεκτρολογική εγκατάσταση του συστήματος φωτισμού του πειραματικού δωματίου μετά τις αλλαγές που χρειάστηκε να γίνουν. Εικόνα 4.3 Η Ηλεκτρολογική Εγκατάσταση του Συστήματος Φωτισμού μετά τις αλλαγές που έγιναν 86

87 Το σύστημα σκίασης Το δωμάτιο δεν διαθέτει εξώφυλλα στα παράθυρα και επιλέχθηκε να εγκατασταθεί σύστημα σκίασης του χώρου από τον ήλιο, αλλά και για χρήση του Ηλεκτρονικού Υπολογιστή χωρίς να ενοχλεί το φυσικό φως και για πλήρη συσκότιση ώστε να γίνονται προβολές (χρήση σεναρίων). Έτσι επιλέχθηκε να τοποθετηθούν ηλεκτροκίνητες κουρτίνες roller στα παράθυρα του δωματίου, που και τα δύο έχουν Βορειοανατολικό προσανατολισμό. Το ύφασμα που επιλέχθηκε είναι blackout και παρέχει 100% σκίαση, που είναι ιδανικό σε περίπτωση χρήσης του χώρου για προβολή παρουσιάσεων με χρήση projector. Τα παράθυρα του δωματίου έχουν διαστάσεις 1,30m x 1,80m (ΠxΥ) και βρίσκονται το ένα δίπλα στο άλλο σε απόσταση 50cm. Έτσι θα μπορούσαμε να επιλέξουμε την κίνηση και των δύο κουρτινών σε κοινό άξονα από ένα μοτέρ, αλλά τελικά αποφασίστηκε να έχουν ανεξάρτητη κίνηση για μεγαλύτερη ελευθερία στα σενάρια του αυτοματισμού που θα εφαρμόζει ο χρήστης. Το σύστημα σκίασης τροφοδοτείται από τον πίνακα του κτιρίου (με καλώδιο ΝΥΜ 3x1,5mm2) που τροφοδοτεί το κουτί διακλάδωσης των κουρτινών. Η παροχή του κάθε μοτέρ (καλώδιο ΝΥΜ 3x1,5mm2) ξεκινάει από το κουτί διακλάδωσης. Τον έλεγχο λειτουργίας του συστήματος σκίασης τον έχει ο χρήστης μέσω δύο διακοπτών κουρτίνας, έναν για την κάθε μία, που είναι τοποθετημένοι δεξιά από τα παράθυρα. Στην εικόνα 4.4 βλέπουμε το ηλεκτρολογικό σχέδιο του συστήματος ηλεκτρικών κουρτινών. Εικόνα 4.4 Ηλεκτρολογική Εγκατάσταση Συστήματος Σκίασης 87

88 Το σύστημα Εξαερισμού Στο δωμάτιο αποφασίστηκε να εγκατασταθεί σύστημα αερισμού του χώρου. Για τον αερισμό του χώρου τοποθετήθηκε μονάδα εξαερισμού στο σταθερό τζάμι του ενός παραθύρου, πάνω από το κινούμενο άνοιγμά του. Η μονάδα που επιλέχθηκε ήταν απαραίτητο να έχει την δυνατότητα να εξάγει αέρα από το δωμάτιο, να εισάγει νωπό αέρα από έξω και να μπορεί να κλείνει η είσοδος με μηχανικές περσίδες του όταν δεν λειτουργεί. Επίσης σημαντικό στην επιλογή ήταν να έχει χαμηλά επίπεδα θορύβου κατά την λειτουργία του καθώς προορίζεται για χώρο μελέτης. Ο εξαεριστήρας που τελικά επιλέχθηκε είναι ο TX7WW της εταιρείας Vent-Axia. Για την τοποθέτησή του χρειάστηκε να γίνει τρύπα διαμέτρου 22cm στο τζάμι. Η μονάδα εξαερισμού έχει ισχύ 40W, δυνατότητα λειτουργίας σε τρείς ταχύτητες, χαμηλά επίπεδα θορύβου (37 db σε χαμηλή ταχύτητα), ενώ η παροχή αέρα που είναι m3/h (ανάλογα την ταχύτητα). Το δωμάτιο όπως είδαμε, έχει διαστάσεις 3,50 x 4,75 x 3,40m, οπότε έχει όγκο περίπου 56m 3. Άρα αν βάλουμε σε λειτουργία τον εξαερισμό στην πιο αργή ταχύτητα, για να έχουμε τον ελάχιστο δυνατό θόρυβο, θα ανανεώνεται ο αέρας περίπου 5,5 φορές την ώρα ή αλλιώς θα ανανεωθεί όλος ο αέρας του δωματίου σε 11 λεπτά περίπου. Εικόνα 4.5 Η μονάδα εξαερισμού TX7WW (αριστερά) και το αντίστοιχος διακόπτης T-Series Controller για τον χειρισμότ της (δεξιά). Για τον χειρισμό της μονάδας εξαερισμού τοποθετήθηκε ο ειδικός διακόπτη T-Series Controller της εταιρίας Vent-Axia που είναι συμβατός με αυτή την μονάδα εξαερισμού. Ο Controller αυτός έχει τρείς διακόπτες. Ο πρώτος είναι γενικός On-Off, ο δεύτερος επιλέγει λειτουργία (εισαγωγή αέρα, εξαγωγή αέρα, ανοιχτές οι περσίδες χωρίς ροή αέρα) και ο τρίτος επιλέγει τη ταχύτητα λειτουργίας (Ι, ΙΙ, ΙΙΙ). 88

89 Το σύστημα του εξαερισμού τροφοδοτείται από τον πίνακα του κτιρίου (με καλώδιο ΝΥΜ 3x1,5mm2) που τροφοδοτεί το κουτί διακλάδωσης των κουρτινών. Η παροχή της μονάδας εξαερισμού (καλώδιο ΝΥΜ 5x1,5mm2) ξεκινάει από το κουτί διακλάδωσης του εξαερισμού. Στην εικόνα 4.6 βλέπουμε το ηλεκτρολογικό σχέδιο του συστήματος εξαερισμού. Εικόνα 4.6 Ηλεκτρολογική Εγκατάσταση του Συστήματος Εξαερισμού Το σύστημα Κλιματισμού Στο δωμάτιο υπήρχε ήδη εγκατεστημένο σύστημα κλιματισμού. Πιο συγκεκριμένα ήταν τοποθετημένο ένα κλιματιστικό τοίχου, μοντέλο MWW518F της εταιρείας TRANE (εικόνα 4.7). Εικόνα 4.7 Κλιματιστική μονάδα τοίχου που είναι εγκατεστημένη στο πειραματικό δωμάτιο 89

90 Μαζί διατίθεται και ένα ασύρματο τηλεχειριστήριο (εικόνα αριστερά) που δίνει την δυνατότητα στον χρήστη αφενός μεν να επιλέγει την λειτουργία του κλιματιστικού, από τα διαθέσιμα πλήκτρα και αφετέρου να βλέπει στην LCD οθόνη που διαθέτει, τις τελευταίες ρυθμίσεις που είχε θέσει. Εκτός όμως από το τηλεχειριστήριο υπάρχει η δυνατότητα χρήσης του κλιματιστικού από κάποια κουμπιά που είναι τοποθετημένα στην κλιματιστική μονάδα (εικόνα δεξιά). Εικόνα 4.8 Τηλεχειριστήριο κλιματιστικού (αριστερά) και ενσωματωμένα κουμπιά ελέγχου του κλιματιστικού (δεξιά) Το κλιματιστικό αυτό δίνει την δυνατότητα στον χρήστη να επιλέξει και να ρυθμίσει τις βασικές λειτουργίες κλιματισμού ενός εσωτερικού χώρου. Οι πιο βασικές λειτουργίες που υποστηρίζονται από το κλιματιστικό είναι: On Off κλιματιστικού. Μέσω ενός πλήκτρου (POWER) ο χρήστης μπορεί να θέτει σε λειτουργία ή να απενεργοποιεί το κλιματιστικό. Όταν ο χρήστης θέτει σε λειτουργία το κλιματιστικό, αυτό έχοντας διατηρήσει στην μνήμη του τις τελευταίες ρυθμίσεις του χρήστη, ξεκινάει να λειτουργεί όπως πριν να το απενεργοποιήσει. Επιλογή θερμοκρασίας. Μέσω δύο πλήκτρων, ένα για να αυξάνει (TEMP UP) και, ένα για να μειώνει (TEMP DOWN) την θερμοκρασία, ο χρήστης μπορεί να θέτει την θερμοκρασία που θέλει να αποκτήσει ο χώρος και να διατηρηθεί σταθερή. Επιλογή προγράμματος λειτουργίας. Μέσω ενός πλήκτρου (FUNC) ο χρήστης επιλέγει την λειτουργία του κλιματιστικού. Κάθε φορά που πατάει το κουμπί εναλλάσσονται κυκλικά οι επιλογές: Σύμβολο Λειτουργία κλιματιστικού Ψύξη: Το κλιματιστικό ανακυκλώνει τον αέρα του δωματίου ψύχοντάς τον Θέρμανση: Το κλιματιστικό ανακυκλώνει τον αέρα του δωματίου θερμαίνοντάς τον. Ύγρανση: Το κλιματιστικό ανακυκλώνει τον αέρα του δωματίου υγραίνοντάς τον. Ανακύκλωση αέρα: Το κλιματιστικό απλά ανακυκλώνει τον αέρα του δωματίου. 90

91 Το κλιματιστικό τροφοδοτείται από μία πρίζα (με καλώδιο ΝΥΜ 3x1,5mm2) που είναι τοποθετημένη στον τοίχο, ψηλά δίπλα στο κλιματιστικό. Η πρίζα έχει ανεξάρτητη παροχή (με καλώδιο ΝΥΜ 3x1,5mm2) από πίνακα του κτιρίου. Στην εικόνα 4.9 βλέπουμε το ηλεκτρολογικό σχέδιο του συστήματος κλιματισμού. Εικόνα 4.9 Ηλεκτρολογική Εγκατάσταση του Συστήματος Κλιματισμού Το σύστημα διαχείρισης των Standby συσκευών Κάποιες συσκευές, όταν δεν χρησιμοποιούνται για ένα χρονικό διάστημα (κάποια λεπτά) τότε περνάνε σε κατάσταση αναμονής (standby), προκειμένου να μην καταναλώνουν πολύ ενέργεια αλλά και για να αυξάνουν τον χρόνο ζωής των εξαρτημάτων τους. Παρόλη την εξοικονόμηση ενέργειας που πετυχαίνεται από την ίδια την συσκευή όταν περνάει σε κατάσταση standby, το ποσό ενέργειας που συνεχίζει να καταναλώνει σε αρκετές περιπτώσεις είναι μετρίσιμη και μάλιστα είναι και υπολογίσιμη στο ενεργειακό προφίλ του δωματίου. Για τον λόγο αυτό αποφασίστηκε να τοποθετηθεί ένα πολύπριζο με ανεξάρτητη παροχή το οποίο θα τροφοδοτεί τις συσκευές που περνάνε σε κατάσταση standby, ώστε να μπορούμε να διακόπτουμε την παροχή ρεύματος και να τις 91

92 απενεργοποιούμε πλήρως όταν δεν τις χρησιμοποιούν οι χρήστες για κάποιο χρονικό διάστημα. Το πολύπριζο που τοποθετήθηκε στο δωμάτιο, τροφοδοτείται με ανεξάρτητη παροχή (με καλώδιο ΝΥΜ 3x1,5mm 2 ) από τον πίνακα του κτιρίου. Στην εικόνα 4.10 βλέπουμε το ηλεκτρολογικό σχέδιο του συστήματος διαχείρισης των Standby συσκευών. Εικόνα 4.10 Ηλεκτρολογική Εγκατάσταση του Συστήματος διαχείρισης των Standby συσκευών Μέτρηση κατανάλωσης Ενέργειας Τώρα που έχουμε μια συνολική εικόνα για όλα τα συστήματα του δωματίου πρέπει να δούμε την κατανάλωση του δωματίου κατά την χρήση του από έναν χρήστη. Για να μετρήσουμε την κατανάλωση της ενέργειας του δωματίου εγκαταστάθηκε στον πίνακα του κτιρίου ο μετρητής ενέργειας C11 της εταιρείας ΑΒΒ. Ο συγκεκριμένος μετρητής, εκτός από την συνολική κατανάλωση ενέργειας που καταγράφει αθροιστικά και εμφανίζει σε μία ψηφιακή οθόνη που διαθέτει, έχει την δυνατότητα σε δύο επαφές που διαθέτει να δίνει έναν παλμό για κάθε 10W που μετράει. Σε αυτή την επαφή, μέσω ενός Relay συνδέσαμε 92

93 ένα TelosB το οποίο καταγράφει την στιγμή που δίνει ο μετρητής τον κάθε παλμό, και μεταφέρει ασύρματα την μέτρηση στο Sink του ασύρματου δικτύου αισθητήρων. Με αυτόν τον τρόπο μετατρέψαμε έναν πολύ απλό μετρητή ενέργειας της αγοράς σε έναν IPv6 μετρητή ενέργειας που στέλνει ασύρματα τις μετρήσεις σε έναν κεντρικό υπολογιστή. Στο σχήμα της εικόνας 4.11 φαίνεται η σύνδεση του μετρητή C11 με το TelosB. Εικόνα 4.11 Η σύνδεση του μετρητή ενέργειας C11 με το TelosB. 93

94 Ο C11 χρησιμοποιεί ένα solid state relay για την έξοδο παλμών, συνδέσαμε ένα μετασχηματιστή με στοιχεία 6VDC 1A στη είσοδο του και χρησιμοποιήσαμε ένα μηχανικό relay για να μπορέσουμε να οδηγήσουμε το σήμα σε μια γενική είσοδο input/output του telosb καθώς το ρεύμα ήταν πολύ υψηλό. Επίσης φτιάξαμε ένα RC κύκλωμα ώστε να περιορίσουμε τον θόρυβο από το μηχανικό relay αφού η είσοδος του telosb ήταν πολύ ευαίσθητη σε αυτόν. Το μέγεθος του παλμού είναι 200ms αρκετά μεγάλο ώστε να εγείρει το relay και την είσοδο του TelosB. Τώρα που έχουμε μία γενική εικόνα τόσο για τα συστήματα που είναι εγκατεστημένα στο δωμάτιο όσο και για τις μετρήσεις της κατανάλωσης ενέργειας μπορούμε να εξετάσουμε μία τυπική χρήση του δωματίου ώστε να δούμε το ενεργειακό του προφίλ. Αν κάποιος χρήστης χρησιμοποιεί το δωμάτιο από τις 9 π.μ. μέχρι τις 7 μ.μ. τότε σε ένα 24-ωρο η μέση ενέργεια που καταναλώνει μετρήθηκε ότι είναι περίπου 17 KWh. Πιο αναλυτικά ανά σύστημα, θα δούμε τις μετρήσεις της κατανάλωσης ενέργειας στην ενότητα που θα συγκριθεί και με την εξοικονόμηση που καταφέραμε να κάνουμε για το δωμάτιο αυτό, αλλά μία γενική εικόνα μας δίνει ο παρακάτω πίνακας. Σύστημα Κλιματισμού Φωτισμού Εξαερισμού Standby συσκευών Κατανάλωση ενέργειας 2 3,5 kwh 350 Wh 32 Wh 44 Wh Πίνακας 4.1 Η κατανάλωση ενέργειας που μετρήθηκε για το κάθε σύστημα του δωματίου Αυτοματισμοί που εγκαταστάθηκαν Στην ενότητα αυτή θα δούμε αναλυτικά την σύνδεση του αυτοματισμού, που σχεδιάσαμε, σε κάθε ένα από τα συστήματα του δωματίου. Ας εξετάσουμε το κάθε σύστημα ξεχωριστά. 94

95 Αυτοματισμός Συστήματος Φωτισμού Για να λειτουργήσει ο αυτοματισμός πρέπει να συνδεθεί το κύκλωμα του φωτισμού στην πλακέτα των ισχυρών ρευμάτων στις θέσεις σύνδεσης 1 έως 14. Πριν από αυτό όμως πρέπει να αποφασίσουμε ποιο σήμα του TelosB που διεγείρει το αντίστοιχο Solid State Relay θέλουμε να ανάβει ποιό φως για να ξέρουμε πώς να τα συνδέσουμε. Στον παρακάτω πίνακα φαίνεται η αντιστοιχία ανάμεσα στις λειτουργίες της θύρας επέκτασης του TelosB, το pin της πλακέτας του TelosB, το relay που διεγείρουν και εντέλει το αντίστοιχο φωτιστικό που αναβοσβήνει. Λειτουργία (TelosB) Pin/Port (TelosB) Relay Φωτιστικό GIO0 Exclusive digital I/O GIO1 Exclusive digital I/O GIO2 Exclusive digital I/O GIO3 Exclusive digital I/O 10 / U2 C2 Α 7 / U2 C1 Β 3 / U28 C4 Γ 4 / U28 C3 Δ Πίνακας 4.2 Η αντιστοιχία ανάμεσα στα pin/ports του TelosB, τα relay και το φωτιστικό που ελέγχουν. Με βάση τον παραπάνω πίνακα καταλήγουμε στις συνδέσεις των θέσεων 1 έως 14. Έτσι στην θέση 1 συνδέουμε την φάση (R) του φωτιστικού Α, στην θέση 2 την φάση (R) του φωτιστικού Β, στην θέση 8 την φάση (R) του φωτιστικού Γ και στην θέση 9 την φάση (R) του φωτιστικού Δ. Στις θέσεις 5,6 και 7 συνδέουμε τον επίτοιχο διακόπτη κομιτατέρ για τον χειροκίνητο έλεγχο των φωτιστικών Α και Β ενώ στις θέσεις 12,13 και 14 συνδέουμε τον επίτοιχο διακόπτη κομιτατέρ για τον χειροκίνητο έλεγχο των φωτιστικών Γ και Δ. Στις θέσεις 3-10 και 4-11 θα μπορούσαμε να συνδέσουμε τον ουδέτερο(n) και την γείωση(g) των φωτιστικών, αλλά για ευνόητους λόγους δεν έγινε στην ηλεκτρολογική εγκατάσταση και τελικά συνδέθηκαν απευθείας με την κεντρική παροχή στο κουτί διακλάδωσης. Στην εικόνα 4.12 φαίνονται αναλυτικά όλες οι συνδέσεις του αυτοματισμού με το σύστημα φωτισμού. 95

96 96 Εικόνα 4.12 Το τελικό διάγραμμα του αυτοματισμού του Συστήματος Φωτισμού.

97 Αυτοματισμός Συστήματος Σκίασης Ας δούμε πιο αναλυτικά τι θέλουμε επακριβώς να κάνει ο αυτοματισμός μας και με ποιον τρόπο θα καταφέρουμε το TelosB να χειρίζεται το σύστημα σκίασης. Καταρχήν ας ορίσουμε όλες τις δυνατές καταστάσεις που μπορεί νε έχει το σύστημα ηλεκτρικών κουρτινών, για να δούμε στην συνέχεια πως μπορεί το TelosB να τις χειριστεί μέσω της θύρας επέκτασής του. Κάθε κουρτίνα μπορεί να βρίσκεται σε τρείς διαφορετικές καταστάσεις (ανεβαίνει, κατεβαίνει, σταθερή). Οπότε ο συνδυασμός των καταστάσεων κάθε κουρτίνας μας οδηγεί σε εννέα συνολικά καταστάσεις που μπορεί να βρεθεί το σύστημα σκίασης, και αναφέρονται στον πίνακα 5.4. ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΙΝΗΣΗ ΚΟΥΡΤΙΝΩΝ ΔΙΑΚΟΠΤΕΣ (ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΕΙΣ) ΚΟΥΡΤΙΝΑ - Α- ΚΟΥΡΤΙΝΑ - Β- Α Α Β Β 1 ΣΤΑΘΕΡΗ ΣΤΑΘΕΡΗ OFF OFF OFF OFF 2 ΣΤΑΘΕΡΗ ΚΑΤΕΒΑΙΝΕΙ OFF OFF OFF ON 3 ΣΤΑΘΕΡΗ ΑΝΕΒΑΙΝΕΙ OFF OFF ON OFF 4 ΚΑΤΕΒΑΙΝΕΙ ΣΤΑΘΕΡΗ OFF ON OFF OFF 5 ΚΑΤΕΒΑΙΝΕΙ ΚΑΤΕΒΑΙΝΕΙ OFF ON OFF ON 6 ΚΑΤΕΒΑΙΝΕΙ ΑΝΕΒΑΙΝΕΙ OFF ON ON OFF 7 ΑΝΕΒΑΙΝΕΙ ΣΤΑΘΕΡΗ ON OFF OFF OFF 8 ΑΝΕΒΑΙΝΕΙ ΚΑΤΕΒΑΙΝΕΙ ON OFF OFF ON 9 ΑΝΕΒΑΙΝΕΙ ΑΝΕΒΑΙΝΕΙ ON OFF ON OFF Πίνακας 4.3 Όλες οι δυνατές καταστάσεις του Συστήματος Σκίασης Για τον χειροκίνητο έλεγχο των κουρτινών χρησιμοποιούνται διακόπτες κουρτινών. Οι διακόπτες αυτοί για κάθε κουρτίνα έχουν δύο πλήκτρα, έναν για κάθε κατεύθυνση της (επάνω - κάτω). Όμως έχουν την ιδιαιτερότητα ότι δεν επιτρέπουν να είναι πατημένα ταυτόχρονα και τα δύο πλήκτρα (και επάνω και κάτω ταυτόχρονα). Όταν είναι επιλεγμένη η μία κατεύθυνση και πατήσουμε το άλλο πλήκτρο τότε το πρώτο επανέρχεται και μένει πατημένο μόνο το δεύτερο. Άρα οι διακόπτες αυτοί ουσιαστικά λειτουργούν ως διακόπτες on-off για κάθε κατεύθυνση της κουρτίνας χωρίς όμως να επιτρέπεται να είναι και οι δύο on ταυτόχρονα. Οπότε για τον έλεγχο των κουρτινών από το TelosB μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ένα ψηφιακό σήμα (0-1) για κάθε κατεύθυνση της κάθε κουρτίνας προσέχοντας να μην δώσουμε ταυτόχρονα λογικό 1 και για τις δύο κατευθύνσεις (πάνω κάτω) της ίδιας κουρτίνας. Άρα ο πιο απλός τρόπος το TelosB να ελέγχει και τις δύο κατευθύνσεις της κάθε κουρτίνας (συνολικά 4 διαφορετικές κινήσεις) είναι να δίνει εντολή μέσω των Digital I/O ports που διαθέτει. Δηλαδή ο αυτοματισμός θα δέχεται σαν σήματα ελέγχου τις εξόδους τεσσάρων Digital I/O ports του TelosB και θα αντιστοιχηθεί στην κατάσταση η κουρτίνα Α 97

98 κινείται στην συγκεκριμένη κατεύθυνση το λογικό 1 στην port αυτή, δηλαδή στο pin που αντιστοιχεί στην port αυτή να έχει τάση +3V DC. Ενώ στην κατάσταση η κουρτίνα Α δεν κινείται στην συγκεκριμένη κατεύθυνση θα αντιστοιχηθεί το λογικό 0 στην port αυτή, δηλαδή στο pin που αντιστοιχεί στην port αυτή να έχει τάση 0V DC. Προσοχή όμως εδώ γιατί δεν είναι όλες οι καταστάσεις ανεξάρτητες μεταξύ τους. Υπάρχει ένας συνδυασμός για κάθε κουρτίνα που οδηγεί σε απροσδιόριστη κατάσταση και πρέπει να φροντίσουμε προγραμματιστικά στο TelosB να μην επιτρέπουμε να συμβεί. Οι καταστάσεις που δεν επιτρέπονται για κάθε κουρτίνα είναι να βρίσκονται σε κατάσταση on και οι δύο κατευθύνσεις για την κουρτίνα αυτή. Στον πίνακα 5.4 φαίνεται για κάθε κατάσταση του συστήματος σκίασης ποιος είναι ο συνδυασμός των καταστάσεων των διακοπτών. Ας δούμε τώρα πως πρέπει να συνδέσουμε την πλακέτα που διαρρέεται από ισχυρά ρεύματα, με τα κυκλώματα του συστήματος των ηλεκτρικών κουρτινών στις θέσεις σύνδεσης 1 έως 14. Πριν από αυτό όμως πρέπει να αποφασίσουμε ποιο σήμα του TelosB που διεγείρει το αντίστοιχο Solid State Relay θέλουμε να κινεί ποια κουρτίνα και προς ποια κατεύθυνση, για να ξέρουμε πώς να τα συνδέσουμε. Στον παρακάτω πίνακα φαίνεται η αντιστοιχία ανάμεσα στις λειτουργίες της θύρας επέκτασης του TelosB, το pin της πλακέτας του TelosB, το relay που διεγείρουν και εντέλει την κίνηση που κάνει η αντίστοιχη κουρτίνα. Λειτουργία (TelosB) Pin/Port (TelosB) Relay Κουρτίνα / κατεύθυνση GIO0 Exclusive digital I/O GIO1 Exclusive digital I/O GIO2 Exclusive digital I/O GIO3 Exclusive digital I/O 10 / U2 C2 Α / προς τα επάνω 7 / U2 C1 Α / προς τα κάτω 3 / U28 C4 Β / προς τα επάνω 4 / U28 C3 Β / προς τα κάτω Πίνακας 4.4 Η αντιστοιχία ανάμεσα στα pin/ports του TelosB, τα relay και τις κινήσεις των κουρτινών που ελέγχουν. Με βάση τον παραπάνω πίνακα καταλήγουμε στις συνδέσεις των θέσεων 1 έως 14όπως φαίνονται και στο διάγραμμα της εικόνας Έτσι στην θέση 1 συνδέουμε την φάση (R) της κουρτίνας Α για την κίνηση στην κατεύθυνση προς τα επάνω, στην θέση 2 την φάση (R) της κουρτίνας Α για την κίνηση στην κατεύθυνση προς τα κάτω, στην θέση 3 τον ουδέτερο(ν) της κουρτίνας Α και στην θέση 4 την γείωση (G) της κουρτίνας Α. Στις θέσεις 5,6 και 7 συνδέουμε τον επίτοιχο διακόπτη για τον χειροκίνητο έλεγχο της κουρτίνας Α. Ομοίως και για την κουρτίνα Β, στην θέση 8 συνδέουμε την φάση (R) της κουρτίνας Β για την κίνηση στην κατεύθυνση προς τα επάνω, στην θέση 9 την φάση (R) της κουρτίνας Β για την κίνηση στην κατεύθυνση προς τα κάτω, στην θέση 10 τον ουδέτερο(ν) της κουρτίνας Β και στην θέση 11 την γείωση (G) της κουρτίνας Β. Στις θέσεις 12,13 και 14 συνδέουμε τον επίτοιχο διακόπτη για τον χειροκίνητο έλεγχο της κουρτίνας Β. 98

99 Εικόνα 4.13 Το τελικό διάγραμμα του αυτοματισμού του Συστήματος Σκίασης (ηλεκτρικών κουρτινών). 99

100 Αυτοματισμός Συστήματος Εξαερισμού Οι καταστάσεις που αποφασίσαμε να υλοποιούνται από τον αυτοματισμό είναι τέσσερις. Η μονάδα έχει κλειστές τις περσίδες και ο ανεμιστήρας δεν λειτουργεί, οι περσίδες είναι ανοιχτές και ο ανεμιστήρας δεν λειτουργεί, οι περσίδες είναι ανοιχτές και ο ανεμιστήρας εισάγει αέρα στο δωμάτιο και οι περσίδες είναι ανοιχτές και ο ανεμιστήρας εξάγει αέρα από το δωμάτιο. Για λόγους απλοποίησης της υλοποίησης του αυτοματισμού δεν χειριζόμαστε και την ταχύτητα του ανεμιστήρα. Έτσι ορίσαμε σαν προεπιλεγμένη την χα-μηλή ταχύτητα του ανεμιστήρα, που έχει χαμηλή στάθμη θορύβου και είναι αρκετά ικανοποιητική για τον χώρο αυτό, και αρκεστήκαμε στον αυτοματοποιημένο έλεγχο των χαρακτηριστικών που προαναφέραμε. Για την υλοποίηση των τεσσάρων αυτών καταστάσεων χρειάζεται να ελέγξουμε τα τρία σήματα που ξεκινούν από τον Controller (L1, L2 και L3) και καθορίζουν την λειτουργία του εξαεριστήρα όπως φαίνεται και στο διάγραμμα σύνδεσης που δίνει ο κατασκευαστής (εικόνα 4.14). Εικόνα 4.14 Διάγραμμα σύνδεσης του controller με τον εξαεριστήρα σύμφωνα με τον κατασκευαστή. 100

101 Ας δούμε όμως ποιές λειτουργίες κωδικοποιούν τα σήματα L1,L2 και L3. Το L1 δίνει την εντολή ο ανεμιστήρας να περιστρέφεται και να βγάζει αέρα εκτός του δωματίου. Το L2 δίνει την εντολή ο ανεμιστήρας να περιστρέφεται και να βάζει αέρα εντός του δωματίου. Το σήμα L3 δίνει εντολή στις περσίδες να παραμένουν ανοιχτές. Όμως τα σήματα αυτά δεν είναι ανεξάρτητα μεταξύ τους αλλά έχουν αλληλοπεριορισμούς. Για παράδειγμα δεν γίνεται ενώ ο ανεμιστήρας περιστρέφεται να είναι κλειστές οι περσίδες, ή δεν γίνεται να ενεργοποιούνται ταυτόχρονα η εισαγωγή (L2) και η εξαγωγή (L1) αέρα κλπ. Έτσι οι τέσσερις καταστάσεις, που αναφέραμε πιο πάνω ότι θα είναι αυτές που θα υλο-ποιεί ο αυτοματισμός μας, δίνονται στον πίνακα 5.6 με την αντιστοιχία τους στα σήματα L1,L2 και L3. ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΠΕΡΣΙΔΕΣ: ΚΛΕΣΤΕΣ ΑΝΕΜΙΣΤΗΡΑΣ: OFF ΠΕΡΣΙΔΕΣ: ANOIXΤΕΣ ΑΝΕΜΙΣΤΗΡΑΣ: OFF ΠΕΡΣΙΔΕΣ: ANOIXΤΕΣ ΑΝΕΜΙΣΤΗΡΑΣ: ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΑΕΡΑ ΠΕΡΣΙΔΕΣ: ANOIXΤΕΣ ΑΝΕΜΙΣΤΗΡΑΣ: ΕΞΑΓΩΓΗ ΑΕΡΑ L1 (ΕΞΑΓΩΓΗ) L2 (ΕΙΣΑΓΩΓΗ) L3 (ΠΕΡΣΙΔΕΣ) OFF OFF OFF OFF OFF ON OFF ON ON ON OFF ON Πίνακας 4.5 Οι δυνατές καταστάσεις του συστήματος εξαερισμού Οπότε ο αυτοματισμός μας θα χειριστεί τα σήματα L1, L2 και L3 με την λογική του ON OFF. Άρα ο πιο απλός τρόπος το TelosB να ελέγχει το κάθε σήμα είναι να δίνει εντολή μέσω των Digital I/O ports που διαθέτει. Δηλαδή ο αυτοματισμός θα δέχεται σαν σήματα ελέγχου τις εξόδους τριών Digital I/O ports του TelosB και θα αντιστοιχηθεί στην κατάσταση ON για το σήμα αυτό το λογικό 1 στην port αυτή, δηλαδή στο pin που αν-τιστοιχεί στην port αυτή να έχει τάση +3V DC. Ενώ στην κατάσταση OFF για το σήμα αυτό θα αντιστοιχηθεί το λογικό 0 στην port αυτή, δηλαδή στο pin που αντιστοιχεί στην port αυτή να έχει τάση 0V DC. Προσοχή όμως εδώ γιατί δεν είναι όλες οι καταστάσεις ανεξάρτητες μεταξύ τους όπως αναφέραμε προηγουμένως. Στη συνέχεια πρέπει να συνδέσουμε την πλακέτα που διαρρέεται από ισχυρά ρεύματα, με τα κυκλώματα του συστήματος του εξαερισμού στις θέσεις σύνδεσης 1 έως 14. Πριν από αυτό όμως πρέπει να αποφασίσουμε ποιο σήμα του TelosB που διεγείρει το αντίστοιχο Solid State Relay θέλουμε να κάνει ποια λειτουργία στον εξαεριστήρα, για να ξέρουμε πώς να τα συνδέσουμε. Στον παρακάτω πίνακα φαίνεται η αντιστοιχία ανάμεσα στις λειτουργίες της θύρας επέκτασης του TelosB, το pin της πλακέτας του TelosB, το relay που διεγείρουν και εντέλει την αντίστοιχη λειτουργία του εξαερισμού. 101

102 102 Εικόνα 4.15 Το διάγραμμα του αυτοματισμού του Συστήματος Εξαερισμού

103 Λειτουργία (TelosB) Pin/Port (TelosB) Relay Λειτουργία Εξαερισμού GIO0 Exclusive digital I/O GIO1 Exclusive digital I/O GIO2 Exclusive digital I/O 10 / U2 C2 Περσίδες 7 / U2 C1 Εξαγωγή αέρα 3 / U28 C4 Εισαγωγή αέρα Πίνακας 4.6 Η αντιστοιχία ανάμεσα στα pin/ports του TelosB, τα relay και τις κινήσεις των κουρτινών που ελέγχουν. Με βάση τον παραπάνω πίνακα καταλήγουμε στις συνδέσεις των θέσεων 1 έως 14 όπως φαίνονται και στο διάγραμμα της εικόνας Έτσι στην θέση 1 συνδέουμε το σή-μα L3 του εξαεριστήρα, στην θέση 2 συνδέουμε το σήμα L1 του εξαεριστήρα και στην θέση 8 συνδέουμε το σήμα L2 του εξαεριστήρα. Στις θέσεις 3, 4, 5, 6, 7 και 13 συνδέουμε τον controller του εξαερισμού όπως φαίνεται στο διάγραμμα της εικόνας Αυτοματισμός Συστήματος Κλιματισμού Για τον σχεδιασμό του αυτοματισμού για τον κλιματισμό έπρεπε να υπάρξει μια εντελώς διαφορετική προσέγγιση από αυτές των προηγούμενων αυτοματισμών. Στο σύστημα του κλιματισμού, για τον έλεγχο της λειτουργίας του, όπως αναφέραμε στην προηγούμενη ενότητα, χρησιμοποιεί ο χρήστης είτε το τηλεχειριστήριο είτε τα μπουτόν πάνω στην πλακέτα του κλιματιστικού. Σε οποιαδήποτε από τις δύο περιπτώσεις οι εντολές που δίνει ο χρήστης στο κλιματιστικό δεν είναι οι καταστάσεις (on - off) που βρίσκονται τα μπουτόν αλλά αν πατήθηκαν οι διακόπτες. Δηλαδή οι εντολές στο κλιματιστικό δίνονται με την λογική του παλμού. Για παράδειγμα, για να ανάψει το κλιματιστικό πρέπει ο χρήστης να πατήσει το κουμπί POWER και να το αφήσει. Αν το κρατάει πατημένο (δηλαδή σαν να ήταν διακόπτης που κλείνει το κύκλωμα) η εντολή δεν θα δοθεί. Άρα ο αυτοματισμός μας θα πρέπει να υποστηρίζει σήματα παλμού. Μία άλλη σημαντική διαφορά στον σχεδιασμό αυτού του αυτοματισμού είναι ότι ο έλεγχος της λειτουργίας του κλιματιστικού δεν επιτυγχάνεται με τον έλεγχο της παροχής ρεύματος της συσκευής. Η παροχή της συσκευής είναι ανεξάρτητη από την κάθε λειτουργία του κλιματιστικού. Ο έλεγχος του κλιματιστικού γίνεται από την ηλεκτρονική πλακέτα του. Η ιδιαιτερότητα αυτή οδηγεί στην σχεδίαση του αυτοματισμού ώστε να παρεμβαίνει στην πλακέτα του κλιματιστικού προκειμένου να ελέγχει την λειτουργία του. Αυτό σημαίνει ότι ο αυτοματισμός, για τον χειρισμό των σημάτων του κλιματισμού, δεν απαιτείται να χειριστεί 103

104 σήματα υψηλών ρευμάτων (240V AC) αλλά ασθενή ρεύματα που διαρρέουν την πλακέτα του κλιματιστικού. Για να μπορέσουμε όμως να σχεδιάσουμε τον αυτοματισμό μας πρέπει να δούμε πιο αναλυτικά τι θέλουμε επακριβώς να κάνει ο αυτοματισμός μας και με ποιον τρόπο θα καταφέρουμε το TelosB να χειρίζεται το σύστημα του κλιματισμού. Καταρχήν ας δούμε τις καταστάσεις που μπορεί νε έχει το σύστημα, για να δούμε στην συνέχεια πως μπορεί το TelosB να τις χειριστεί μέσω της θύρας επέκτασής του. Ουσιαστικά όλες οι δυνατές καταστάσεις λειτουργίας του κλιματιστικού είναι ο συνδυασμός των βασικών λειτουργιών του που περιγράψαμε στην προηγούμενη ενότητα. Άρα οι βασικές καταστάσεις είναι: Το κλιματιστικό βρίσκεται εκτός λειτουργίας. Λειτουργία ψύξης του αέρα. Λειτουργία θέρμανσης του αέρα. Λειτουργία ύγρανσης του αέρα. Λειτουργία ανακύκλωσης του αέρα. Ενώ σε κάθε μία από τις παραπάνω καταστάσεις μπορεί να οριστεί διαφορετική θερμοκρασία που θέλει ο χρήστης να αποκτήσει ο χώρος και να διατηρηθεί σταθερή. Για να μπορέσει όμως ο αυτοματισμός να ελέγξει το κλιματιστικό και να ορίσει οποιαδήποτε από τις παραπάνω καταστάσεις θα πρέπει να μπορεί να ελέγξει τα εξής σήματα του κλιματιστικού: POWER: Το σήμα αυτό δίνει εντολή στο κλιματιστικό να τίθεται εκτός λειτουργίας ή να ξεκινάει να λειτουργεί πάλι. FUNC: Το σήμα αυτό εναλλάσσει το επιλεγμένο πρόγραμμα λειτουργίας του κλιματιστικού. Τα προγράμματα που εναλλάσσονται κυκλικά είναι Ψύξη, Θέρμανση, Ύγρανση και Ανακύκλωση αέρα. TEMP UP: Αυξάνει την θερμοκρασία που έχουμε θέσει σαν επιθυμητή να επικρατήσει στον χώρο κατά ένα βαθμό Κελσίου. TEMP DOWN: Μειώνει την θερμοκρασία που έχουμε θέσει σαν επιθυμητή να επικρατή-σει στον χώρο κατά ένα βαθμό Κελσίου. Για να ελέγξει ο αυτοματισμός μας τα παραπάνω σήματα αποφασίσαμε να επέμβουμε στην πλακέτα του κλιματιστικού, προκειμένου να μπορέσει το TelosB να ελέγχει το κλιματιστικό μέσω της θύρα επέκτασης του. Ουσιαστικά το TelosB θα πρέπει να προσομοιώσει την λειτουργία που έχουν τα μπουτόν πάνω στην πλακέτα του κλιματιστικού. Δηλαδή θα πρέπει να συνδεθεί κατάλληλα στην πλακέτα του κλιματιστικού το TelosB, ώστε για την κάθε λειτουργία που εκτελούν τα μπουτόν να στέλνει παλμό που θα γίνεται αντιληπτός από το κλιματιστικό. Για να γίνει αυτό χρειάστηκε να συνδέσουμε παράλληλα σε κάθε μπουτόν και ένα κύκλωμα που ελέγχεται ηλεκτρονικά από το TelosB και κλείνει κατόπιν εντολής του ανε- 104

105 ξάρτητα από τον διακόπτη. Το κύκλωμα αυτό θα πρέπει να αποτελείται από ένα relay όπου οι επαφές του COM (Common) και NO (Normally Open) συνδέονται στις επαφές του διακόπτη - κουμπιού. Όταν διεγείρεται το relay κλείνει το κύκλωμα της πλακέτας που ελέγχει ο αντίστοιχος διακόπτης κουμπί χωρίς να πατηθεί αυτός. Για τον έλεγχο όμως του relay από το TelosB πρέπει να το συνδέσουμε κατάλληλα στην θύρα επέκτασης του TelosB. Για να το οδηγήσουμε όμως δεν είναι αρκετό να συνδέσουμε απλά τα άκρα του πηνίου στο GIO0 και το GND. Αυτό γιατί η τάση που δίνει το TelosB στα GIO είναι μικρό-τερη από αυτή που χρειάζεται το relay που έχουμε για να διεγερθεί, ενώ η τάση του Vcc είναι αρκετή για να διεγείρει το πηνίο. Για τον λόγο αυτό θα χρησιμοποιήσουμε ένα NPN transistor που όταν πολώνεται από το σήμα GIO0 (που είναι συνδεδεμένο στην Βάση - Base) θα άγει και θα τροφοδοτεί το πηνίο του relay (που είναι συνδεδεμένο στον Εκπομπό - Emmiter) με την τάση του Vcc που είναι συνδεδεμένη στην Συλλέκτη - Collector). Επιπλέον για λόγους ασφάλειας του transistor από το ρεύμα του πηνίου τοποθετούμε μία δίοδο παράλληλα στο πηνίο. Οπότε τώρα όταν το σήμα GIO0 του TelosB είναι λογικό 0 το κύκλωμα της πλακέτας του κλιματιστικού του αντίστοιχου μπουτόν είναι ανοιχτό, ενώ όταν το σήμα GIO0 του TelosB είναι λογικό 1 το κύκλωμα της πλακέτας του κλιματιστικού του αντίστοιχου μπουτόν είναι κλειστό. Έτσι με το TelosB μπορέσαμε και προσομοιώσαμε την λειτουργία του μπουτόν της πλακέτας του κλιματιστικού. Στο διάγραμμα της εικόνας 4.16 φαίνεται ένα παράδειγμα εφαρμογής του αυτοματισμού που περιγράψαμε, όπου το σήμα GIO0 του TelosB ελέγχει το μπουτόν SW201 της πλακέτας του κλιματιστικού που χρησιμοποιείται για την λειτουργία POWER και ανοίγει ή κλείνει το κλιματιστικό. Εικόνα 4.16 Διάγραμμα απλής εφαρμογής του αυτοματισμού του κλιματιστικού που ελέγχει την λειτουργία POWER από το TelosB. 105

106 Αυτό που πρέπει να προσέξουμε είναι να προγραμματίσουμε σωστά το TelosB για τον έλεγχο του αυτοματισμού μας ώστε σαν σήματα εξόδου να βγάζει σήματα παλμού που γίνονται αντιληπτά από το κλιματιστικό. Δηλαδή, για παράδειγμα, αν έχουμε συνδέσει το μπουτόν της λειτουργίας POWER με το σήμα GIO0 του TelosB, (όπως στην εικόνα 4.16) και θέλουμε να ανάψουμε το κλιματιστικό, θα πρέπει να θέσουμε το GIO0 στο λογικό 1 για μικρό χρονικό διάστημα και στην συνέχεια να το επαναφέρουμε στο λογικό 0. Πειραματικά είδαμε ότι το διάστημα που μένει το σήμα στο λογικό 1 (δηλαδή το εύρος του παλμού) δεν επηρεάζει την λειτουργία του κλιματιστικού και μόλις επανέλθει το σήμα στο λογικό 0 εκτελείται η εντολή που δώσαμε από το κλιματιστικό. Έτσι εμείς επιλέξαμε το εύρος του παλμού να είναι 50ms. Δηλαδή το TelosB έχει όλα τα σήματα ελέγχου του κλιματιστικού στο λογικό 0 και όταν θέλει να δώσει μία εντολή θέτει το αντίστοιχο σήμα στο λογικό 1 για διάρκεια 50ms και στην συνέχεια το επαναφέρει πάλι στο λογικό 0. Μία άλλη παράμετρος που πρέπει να προσέξει ο προγραμματιστής του αυτοματισμού είναι ότι δεν μπορεί να δίνει ταυτόχρονες εντολές στο κλιματιστικό γιατί δεν τις αντιλαμβάνεται. Δηλαδή, για παράδειγμα, αν κάποιος χρήστης πατήσει ταυτόχρονα δύο κουμπιά στο τηλεχειριστήριο του κλιματιστικού ή στην πλακέτα του τότε το κλιματιστικό δεν θα εκτελέσει καμία από τις δύο εντολές. Αυτό σημαίνει ότι και το TelosB δεν πρέπει να θέτει ταυτόχρονα δύο ή περισσότερα σήματα στο λογικό 1. Για να δώσει δύο ή περισσότερες εντολές στο κλιματιστικό πρέπει να το κάνει σειριακά. Δηλαδή πρέπει πρώτα να δώσει την μία εντολή (θέτει το πρώτο σήμα σε λογικό 1 και μετά από 50ms το επαναφέρει σε λογικό 0) και στην συνέχει να δώσει την επόμενη (θέτει το δεύτερο σήμα σε λογικό 1 και μετά από 50ms το επαναφέρει σε λογικό 0) κοκ. Εικόνα 4.17 Πλακέτα Αυτοματισμού του συστήματος Κλιματισμού 106

107 Ο αυτοματισμός μας, θέλουμε να χειρίζεται με τον τρόπο που περιγράψαμε τέσσερεις λειτουργίες του κλιματιστικού που αντιστοιχούν σε τέσσερα μπουτόν της πλακέτας του κλιματιστικού. Έτσι η πλακέτα του αυτοματισμού που αναπτύξαμε φαίνεται στο διάγραμμα της εικόνας Για πλήρη όμως κατανόηση της λειτουργίας της πλακέτας πρέπει να ορίσουμε τι συνδέεται σε κάθε θέση της. Στις θέσεις G (Γείωση), N (ουδέτερος) και R (φάση) συνδέεται η τροφοδοσία του μετασχηματιστή, στις θέσεις συνδέεται η GND του TelosB, στις θέσεις συνδέονται τα σήματα του TelosB που ελέγχουν τις λειτουργίες του κλιματιστικού, και στις θέσεις 19 έως 26 συνδέονται τα μπουτόν της πλακέτας του κλιματιστικού. Για να πάρει την τελική του μορφή ο αυτοματισμός και να λειτουργήσει πρέπει να τοποθετηθεί η πλακέτα στο κουτί του αυτοματισμού, να συνδεθούν στην πλακέτα κατάλληλα τα σήματα του TelosB, να συνδεθεί η πλακέτα με τα μπουτόν της πλακέτας του κλιματιστικού, να προγραμματιστεί το TelosB κατάλληλα και τελικά μέσω του διακόπτη AUTO MANUAL να ενεργοποιήσουμε την αυτόματη λειτουργία του αυτοματισμού. Αρχικά ας δούμε πως θα συνδεθούν Τα σήματα του TelosB στην πλακέτα. Ο τρόπος που θα συνδεθούν έχει να κάνει αποκλειστικά με το ποια σήματα θέλουμε από το TelosB να ελέγχουν ον κλιματισμό. Εμείς επιλέξαμε να χειριστούμε τον κλιματισμό με τα σήματα GIO0, GIO1, GIO2 και GIO3. Έτσι τις θέσεις 12, 14, 16 και 18 της πλακέτας τις συνδέουμε στην θέση 9 της θύρας U2 που είναι συνδεδεμένη στην GND του TelosB. Ενώ τις θέσεις 11, 13, 15 και 17 της πλακέτας τις συνδέουμε στις θέσεις 10 της U2, 7 της U2, 3 της U28 και 4 της U28 αντίστοιχα. Λειτουργία (TelosB) Pin/Port (TelosB) Relay Συνδέσεις Πλακέτας Αυτοματισμού Μπουτόν πλακέτας κλιματιστικού Λειτουργία κλιματιστικού GIO0 Exclusive digital I/O GIO1 Exclusive digital I/O GIO2 Exclusive digital I/O GIO3 Exclusive digital I/O 10 / U2 C SW201 POWER 7 / U2 C SW204 FUNC 3 / U28 C SW205 TEMP UP 4 / U28 C SW206 TEMP DOWN Πίνακας 4.7 Η αντιστοιχία ανάμεσα στα pin/ports του TelosB, τα relays, τα μπουτόν της πλακέτας του κλιματιστικού και τις λειτουργίες που ελέγχουν. 107

108 108 Εικόνα 4.18 Το τελικό διάγραμμα του αυτοματισμού του Συστήματος Κλιματισμού.

109 Στη συνέχεια πρέπει να συνδέσουμε την πλακέτα του αυτοματισμού με την πλακέτα του κλιματιστικού. Δηλαδή να συνδέσουμε τις επαφές των relays της πλακέτας του αυτοματισμού, με τα μπουτόν της πλακέτας του κλιματιστικού που ελέγχουν τις λειτουργίες του. Για την σύνδεση αυτή χρησιμοποιήσαμε κλωδιοταινία 8 καλωδίων. Στην πλακέτα του κλιματιστικού κολλήσαμε στις επαφές κάθε μπουτόν δύο καλώδια και τα άλλα άκρα τους τα συνδέσαμε σε ένα relay της πλακέτας του αυτοματισμού. Έτσι για παράδειγμα συνδέσαμε τις επαφές του μπουτόν SW201 της πλακέτας του κλιματιστικού στις θέσεις 19 και 20 της πλακέτας του αυτοματισμού, που είναι συνδεδεμένες στις επαφές του relay C1, χωρίς να μας ενδιαφέρει η πολικότητα. Στον πίνακα 5.6 φαίνεται η αντιστοιχία ανά-μεσα στις λειτουργίες της θύρας επέκτασης του TelosB, το pin της πλακέτας του TelosB, το relay που διεγείρουν, τις συνδέσεις που αντιστοιχούν οι επαφές του relay, το μπουτόν που είναι συνδεδεμένο στις θέσεις αυτές και εντέλει την λειτουργία του κλιματισμού. Έτσι καταλήγουμε στην τελική μορφή του αυτοματισμού του συστήματος κλιματισμού όπως φαίνεται στο διάγραμμα της εικόνας Αυτοματισμός Συστήματος Standby συσκευών Για να λειτουργήσει ο αυτοματισμός πρέπει να συνδεθεί το κύκλωμα του φωτισμού στην πλακέτα των ισχυρών ρευμάτων στις θέσεις σύνδεσης 1 έως 14. Πριν από αυτό όμως πρέπει να αποφασίσουμε ποιο σήμα του TelosB που διεγείρει το αντίστοιχο Solid State Relay θέλουμε να ανάβει ποιό φως για να ξέρουμε πώς να τα συνδέσουμε. Στον παρακάτω πίνακα φαίνεται η αντιστοιχία ανάμεσα στις λειτουργίες της θύρας επέκτασης του TelosB, το pin της πλακέτας του TelosB, το relay που διεγείρουν και εντέλει το αντίστοιχο φωτιστικό που αναβοσβήνει. Λειτουργία (TelosB) Pin/Port (TelosB) Relay Κύκλωμα GIO0 Exclusive digital I/O 10 / U2 C2 Πολύπριζο Πίνακας 4.8 Η αντιστοιχία ανάμεσα στα pin/ports του TelosB, τα relay και το Πολύπριζο που ελέγχουν. Με βάση τον παραπάνω πίνακα καταλήγουμε στις συνδέσεις των θέσεων 1 έως 14. Έτσι στην θέση 1 συνδέουμε την φάση (R) του πολύπριζου Α, στη θέση συνδέουμε τον ουδέτερο(n) και στη θέση 4 συνδέουμε την γείωση (G). Στην εικόνα 4.19 φαίνονται αναλυτικά όλες οι συνδέσεις του αυτοματισμού. 109

110 110 Εικόνα 4.19 Το τελικό διάγραμμα του αυτοματισμού διαχείρισης των Standby συσκευών.

111 Σενάρια Οι αυτοματισμοί που παρουσιάστηκαν, σχεδιάστηκαν ώστε να μπορούν τα βασικά ηλεκτρομηχανολογικά συστήματα του δωματίου (φωτισμός, κλιματισμός, εξαερισμός, σκίαση) να ελεγχθούν από κάποιους αισθητήρες που θα εντάσσονταν στο ήδη υπάρχον ασύρματο δίκτυο αισθητήρων. Ένα μέρος του υπόλοιπου δικτύου αισθητήρων που έχει αναπτυχθεί στο κτίριο, είναι υπεύθυνο να λαμβάνει μετρήσεις για τις συνθήκες που επικρατούν αλλά και να ανιχνεύει διάφορα περιστατικά που μπορεί να συμβούν. Οι αισθητήρες αυτοί είναι ένα σημαντικό κομμάτι στο σύστημα διαχείρισης του κτιρίου(bms) γιατί αναφέρουν ανά πάσα στιγμή τις συνθήκες που επικρατούν στο εσωτερικό και το εξωτερικό του, την κατάσταση που βρίσκονται τα ηλεκτρομηχανολογικά συστήματα, τον τρόπο που χρησιμοποιούνται οι χώροι από τους χρήστες, διάφορα θέματα ασφαλείας (π.χ. ανίχνευση πυρκαγιάς, ανίχνευση διάρρηξης κλπ), αλλά και πιθανές δυσλειτουργίες που μπορεί να υπάρξουν σε όλα τα επίπεδα. Οι αισθητήρες που είναι εγκατεστημένοι μέχρι στιγμής στο κτίριο δίνουν πληροφορίες σε πραγματικό χρόνο (όποτε τους ζητηθεί από τον κεντρικό κόμβο βάσης, σε τακτά χρονικά διαστήματα από μόνοι τους, ή όταν ανιχνεύσουν κάποιο γεγονός). Μία κατηγορία αισθητήρων είναι αυτοί που δίνουν μετρήσεις σχετικά με τις περιβαλλοντικές συνθήκες που επικρατούν. Ποιο συγκεκριμένα μετρούν: Υγρασία εσωτερικού χώρου Υγρασία εξωτερικού περιβάλλοντος Θερμοκρασία εσωτερικού χώρου Θερμοκρασία εξωτερικού περιβάλλοντος Φωτεινότητα εσωτερικού χώρου Φωτεινότητα εξωτερικού περιβάλλοντος Επίπεδα σκόνης του αέρα στον εσωτερικό χώρο Ποσότητα επιβλαβών αερίων (CO, CO2) στον εσωτερικό χώρο Υγρασία εδάφους (για τον κήπο του κτιρίου) Παράλληλα με τους αισθητήρες που στέλνουν αριθμητικές μετρήσεις υπάρχουν και άλλοι για την ανίχνευση κάποιων γεγονότων. Τέτοιοι αισθητήρες είναι υπεύθυνοι για: Την ανίχνευση κίνησης ανθρώπου σε έναν εσωτερικό χώρο. Την ανίχνευση κίνησης ανθρώπου σε έναν εξωτερικό χώρο. Την ανίχνευση παρουσία ανθρώπου σε έναν εσωτερικό χώρο. Την ανίχνευση πυρκαγιάς. Της αναφορά της κατάστασης ενός ανοίγματος του κτιρίου (π.χ. αν μία πόρτα ή ένα παράθυρο είναι ανοιχτό ή κλειστό). Την ταυτοποίηση ενός χρήστη με βάση ενός αισθητήρα που διαθέτει. Τον εντοπισμό της θέσης ενός χρήστη (σε ποιο δωμάτιο ή ακόμα και σε ποιο τμήμα του δωματίου βρίσκεται) με βάση τον αισθητήρα ταυτοποίησης που διαθέτει. 111

112 Ο κάθε ένας από τους παραπάνω αισθητήρες είναι ενταγμένος στο ασύρματο δίκτυο αισθητήρων που αναπτύχθηκε στο κτίριο. Αυτή η ιδιότητα τους είναι πολύ σημαντική και δίνει στο σύστημα μεγάλη ευελιξία για οποιαδήποτε αλλαγή χρειαστεί να γίνει. Το σύστημα συνεχίζει να λειτουργεί κανονικά και δεν επηρεάζεται σε περίπτωση διακοπής λειτουργίας κάποιου αισθητήρα (λόγω βλάβης ή εξασθένησης της μπαταρίας του), αφαίρεσης του αισθητήρα από το δίκτυο, μετακίνησης του αισθητήρα σε άλλη θέση, αντικατάσταση του αισθητήρα από κάποιον άλλο, προσθήκη νέου αισθητήρα στο δίκτυο. Ακόμα πολύ σημαντική είναι η δυνατότητα ότι μπορούν να ενταχθούν στο δίκτυο πολλοί ετερογενείς αισθητήρες, εξειδικευμένοι και με διαφορετικά χαρακτηριστικά αρκεί να συνδεθούν σε κάποιο κόμβο του δικτύου που θα είναι υπεύθυνος για τον χειρισμό τους. Τελικός στόχος θα είναι η δημιουργία ενός συστήματος διαχείρισης του κτιρίου (BMS) όπου θα γνωρίζει σε πραγματικό χρόνο την κατάσταση σε κάθε χώρο του κτιρίου και θα μπορεί κεντρικά να χειρίζεται όλους τους αυτοματισμούς των συστημάτων του κτιρίου μέσω του ασύρματου δικτύου αισθητήρων που είναι εγκατεστημένο. Για τον χειρισμό των συστημάτων από το BMS θα εφαρμόζονται σενάρια που προσαρμοσμένα με βάση την εξοικονόμηση ενέργειας, την άνεση του χρήστη, τις ανάγκες και τις προτιμήσεις του κάθε ταυτοποιημένου χρήστη ξεχωριστά, αλλά και την αυτόματη προσαρμογή των χώρων σε μη ταυτοποιημένους χρήστες. Παράλληλα όμως θα εφαρμόζονται και σενάρια σε περίπτωση έκτακτης ανάγκης (π.χ. πυρκαγιά) θα χειρίζονται τα συστήματα του κτιρίου κατάλληλα. Στην ενότητα αυτή θα αναφέρουμε κάποια βασικά σενάρια που μπορούμε να ορίσουμε ώστε να λειτουργούν οι αυτοματισμοί στο πειραματικό δωμάτιο όταν το σύστημα είναι ρυθμισμένο να λειτουργεί αυτόματα. Για τον ορισμό των σεναρίων πρέπει το σύστημα να λαμβάνει σήματα από τους αισθητήρες που αναφέραμε προηγουμένως και να έχει την δυνατότητα να χειριστεί αναλόγως τους αυτοματισμούς. Παρακάτω θα αναπτύξουμε σενάρια για κάθε ένα από τα συστήματα του δωματίου που ελέγχονται από τους αυτοματισμούς που υλοποιήσαμε. Α. Σύστημα Φωτισμού Α1) Παρουσία ατόμου α) Αρχική κατάσταση: Μέσα στο δωμάτιο δεν υπάρχει κανένας και όλα τα φώτα είναι σβηστά. Αλλαγή κατάστασης: Εισέρχεται κάποιος στο δωμάτιο. Αισθητήρας: Ο αισθητήρας παρουσίας αντιλαμβάνεται την παρουσία ατόμου. Αυτοματισμός: Το σύστημα δίνει εντολή στον αυτοματισμό που είναι υπεύθυνος για τον χειρισμό των φωτιστικών να ανάψει όλα τα φώτα του δωματίου. Τελική κατάσταση: Μέσα στο δωμάτιο υπάρχει κάποιο άτομο και τα φώτα είναι όλα αναμμένα. β) Αρχική κατάσταση: Μέσα στο δωμάτιο υπάρχει παρουσία ατόμου και κάποια από τα φώτα είναι αναμμένα. Αλλαγή κατάστασης: Όλοι όσοι είναι στο δωμάτιο φεύγουν. Αισθητήρας: Ο αισθητήρας παρουσίας δεν αντιλαμβάνεται την παρουσία ατόμου. Αυτοματισμός: Το σύστημα δίνει εντολή στον αυτοματισμό που είναι υπεύθυνος για τον χειρισμό των φωτιστικών να σβήσει όλα τα φώτα του δωματίου. 112

113 Τελική κατάσταση: Μέσα το δωμάτιο δεν υπάρχει κάποιος και τα φώτα είναι όλα σβηστά. Α2) Επίπεδο φωτεινότητας α) Αρχική κατάσταση: Μέσα στο δωμάτιο υπάρχει παρουσία ατόμου και όλα τα φώτα ή κάποια από αυτά είναι σβηστά. Αλλαγή κατάστασης: Η φωτεινότητα του δωματίου είναι κάτω από την στάθμη που έχει οριστεί ως ελάχιστη επιτρεπτή (250 Lux). Αισθητήρας: Ο αισθητήρας φωτεινότητας αντιλαμβάνεται ότι το επίπεδο φωτισμού είναι κάτω από την στάθμη που έχει οριστεί ως ελάχιστη επιτρεπτή. Αυτοματισμός: Το σύστημα σύμφωνα με την μέτρηση από τον αισθητήρα φωτεινότητας και γνωρίζοντας πόσα Lux αποδίδει το κάθε φωτιστικό δίνει εντολή στον αυτοματισμό που είναι υπεύθυνος για τον χειρισμό των φωτιστικών και ανάβουν όσα από τα φώτα του δωματίου χρειάζονται για να είναι η φωτεινότητα του χώρου μέσα στα επιτρεπτά όρια. Τελική κατάσταση: Μέσα στο δωμάτιο υπάρχει παρουσία ατόμου και είναι αναμμένα όσα φώτα χρειάζονται για να είναι η φωτεινότητα του χώρου η κατάλληλη. β) Αρχική κατάσταση: Μέσα στο δωμάτιο υπάρχει παρουσία ατόμου και όλα τα φώτα ή κάποια από αυτά είναι αναμμένα. Αλλαγή κατάστασης: Η φωτεινότητα του δωματίου είναι πάνω από την στάθμη που έχει οριστεί ως μέγιστη επιτρεπτή (600 Lux). Αισθητήρας: Ο αισθητήρας φωτεινότητας αντιλαμβάνεται ότι το επίπεδο φωτισμού είναι πάνω από την στάθμη που έχει οριστεί ως μέγιστη επιτρεπτή. Αυτοματισμός: Το σύστημα σύμφωνα με την μέτρηση από τον αισθητήρα φωτεινότητας και γνωρίζοντας πόσα Lux αποδίδει το κάθε φωτιστικό δίνει εντολή στον αυτοματισμό που είναι υπεύθυνος για τον χειρισμό των φωτιστικών και σβήνει όσα από τα φώτα του δωματίου χρειάζονται για να είναι η φωτεινότητα του χώρου μέσα στα επιτρεπτά όρια. Τελική κατάσταση: Μέσα στο δωμάτιο υπάρχει παρουσία ατόμου και είναι αναμμένα όσα φώτα χρειάζονται για να είναι η φωτεινότητα του χώρου η κατάλληλη. Α3) Θέση εργασίας α) Αρχική κατάσταση: Μέσα στο δωμάτιο υπάρχει παρουσία ατόμου και δεν είναι καθορισμένο ότι βρίσκεται σε κάποια από τις θέσεις εργασίας άρα είναι αναμμένα κάποια φώτα ανεξάρτητα από την θέση εργασίας. Αλλαγή κατάστασης: Ο χρήστης περιορίζεται σε κάποια από τις θέσεις εργασίας για ένα χρονικό διάστημα (3 λεπτά). Αισθητήρας: Ο αισθητήρας που είναι υπεύθυνος για να καθορίσει την θέση στην οποία βρίσκεται ο χρήστης υπολογίζει την περιοχή που εργάζεται ο χρήστης. Αυτοματισμός: Το σύστημα σύμφωνα με την περιοχή που του έστειλε ο αισθητήρας δίνει εντολή στον αυτοματισμό που είναι υπεύθυνος για τον χειρισμό των φωτιστικών και ανάβει τα φώτα που αντιστοιχούν στην συγκεκριμένη θέση εργασίας. Στη συνέχεια σύμφωνα με τις μετρήσεις του αισθητήρα φωτεινότητας και γνωρίζοντας πόσα Lux αποδίδει το κάθε φωτιστικό δίνει εντολή να σβήσουν όσα από τα φώτα του δωματίου βρίσκονται στις άλλες θέσεις εργασίας που δεν χρησιμοποιούνται και χωρίς να ρίξουν την φωτεινότητα στην θέση εργασίας που χρησιμοποιείται κάτω από τα επιτρεπτά όρια. Τελική κατάσταση: Μέσα στο δωμάτιο υπάρχει κάποιος σε συγκεκριμένη θέση εργασίας και είναι αναμμένα τα φώτα που αντιστοιχούν στην θέση αυτή και μόνο 113

114 όσα από τα υπόλοιπα είναι απαραίτητα για να είναι η φωτεινότητα του χώρου σε αυτή τη θέση εργασίας η κατάλληλη. β) Αρχική κατάσταση: Μέσα στο δωμάτιο υπάρχει παρουσία ατόμου σε συγκεκριμένη θέση εργασίας και είναι αναμμένα τα φώτα που αντιστοιχούν στην θέση αυτή και μόνο όσα από τα υπόλοιπα είναι απαραίτητα για να είναι η φωτεινότητα του χώρου σε αυτή τη θέση εργασίας η κατάλληλη. Αλλαγή κατάστασης: Ο χρήστης αλλάζει θέση εργασίας. Αισθητήρας: Ο αισθητήρας που είναι υπεύθυνος για να καθορίσει την θέση στην οποία βρίσκεται ο χρήστης υπολογίζει την νέα περιοχή που εργάζεται ο χρήστης. Αυτοματισμός: Το σύστημα σύμφωνα με την περιοχή που του έστειλε ο αισθητήρας δίνει εντολή στον αυτοματισμό που είναι υπεύθυνος για τον χειρισμό των φωτιστικών και ανάβει τα φώτα που αντιστοιχούν στην συγκεκριμένη θέση εργασίας. Στη συνέχεια σύμφωνα με τις μετρήσεις του αισθητήρα φωτεινότητας και γνωρίζοντας πόσα Lux αποδίδει το κάθε φωτιστικό δίνει εντολή να σβήσουν όσα από τα φώτα του δωματίου βρίσκονται στις άλλες θέσεις εργασίας που δεν χρησιμοποιούνται και χωρίς να ρίξουν την φωτεινότητα στην θέση εργασίας που χρησιμοποιείται κάτω από τα επιτρεπτά όρια. Τελική κατάσταση: Μέσα στο δωμάτιο υπάρχει παρουσία ατόμου σε συγκεκριμένη θέση εργασίας και είναι αναμμένα τα φώτα που αντιστοιχούν στην θέση αυτή και μόνο όσα από τα υπόλοιπα είναι απαραίτητα για να είναι η φωτεινότητα του χώρου σε αυτή τη θέση εργασίας η κατάλληλη. Β. Σύστημα Σκίασης Στο δωμάτιο υπάρχουν 2 παράθυρα στην μία πλευρά του δωματίου μπροστά από τις θέσεις εργασίας αριστερό γραφείο και δεξί γραφείο. Σε κάθε παράθυρο είναι εγκατεστημένη μία κουρτίνα που μπορούμε να την χειριστούμε ανεξάρτητα από την άλλη και ελέγχονται από το mote του αυτοματισμού. Οπότε ας δούμε κάποια βασικά σενάρια που αναπτύχθηκαν: Β1) Παρουσία ατόμου α) Αρχική κατάσταση: Μέσα στο δωμάτιο δεν υπάρχει κανένας και οι κουρτίνες είναι κατεβασμένες και οι δύο ώστε να καλύπτουν το 100% του κάθε παραθύρου. Αλλαγή κατάστασης: Εισέρχεται κάποιος στο δωμάτιο. Αισθητήρας: Ο αισθητήρας παρουσίας αντιλαμβάνεται την παρουσία κάποιου. Αυτοματισμός: Το σύστημα δίνει εντολή στον αυτοματισμό που είναι υπεύθυνος για τον χειρισμό των κουρτινών να ανεβάσει και τις 2 κουρτίνες ώστε να καλύπτουν το 0% του κάθε παραθύρου. Τελική κατάσταση: Μέσα στο δωμάτιο υπάρχει παρουσία ατόμου και οι δύο κουρτίνες είναι στη αντίστοιχη θέση ώστε να καλύπτουν το 0% του κάθε παραθύρου. β) Αρχική κατάσταση: Μέσα στο δωμάτιο υπάρχει παρουσία ατόμου και οι κουρτίνες είναι σε κάποια θέση. Αλλαγή κατάστασης: Όλοι όσοι είναι στο δωμάτιο φεύγουν. Αισθητήρας: Ο αισθητήρας παρουσίας δεν αντιλαμβάνεται την παρουσία κάποιου. Αυτοματισμός: Το σύστημα δίνει εντολή στον αυτοματισμό των κουρτινών να κατεβάσει και τις 2 κουρτίνες ώστε να καλύπτουν το 100% του κάθε παραθύρου. Τελική κατάσταση: Μέσα το δωμάτιο δεν υπάρχει παρουσία ατόμου και οι κουρτίνες είναι κατεβασμένες και οι δύο ώστε να καλύπτουν το 100% του κάθε παραθύρου. 114

115 Β2) Σκίαση του χώρου από τον ήλιο α) Αρχική κατάσταση: Μέσα στο δωμάτιο υπάρχει παρουσία ατόμου και οι κουρτίνες είναι ανεβασμένες σε κάποια θέση. Αλλαγή κατάστασης: Η θέση του ήλιου είναι τέτοια που οι ακτίνες του μπαίνουν από τα παράθυρα. Αισθητήρας: Ο αισθητήρας φωτεινότητας που είναι στο παράθυρο και παρακολουθεί την τροχιά του ήλιου υπολογίζει σε τι ποσοστό πρέπει να καλυφθούν τα παράθυρα από τις κουρτίνες για να μη περνάει ο ήλιος μέσα στο δωμάτιο. Αυτοματισμός: Το σύστημα δίνει εντολή στον αυτοματισμό που είναι υπεύθυνος για τον χειρισμό των κουρτινών να κατεβάσει και τις 2 κουρτίνες ώστε να καλύπτουν το κάθε παράθυρο στο ποσοστό που υπολόγισε ο αισθητήρας φωτεινότητας που παρακολουθεί την τροχιά του ήλιου. Τελική κατάσταση: Μέσα το δωμάτιο υπάρχει κάποιος και οι κουρτίνες είναι κατεβασμένες ώστε να καλύπτουν το ποσοστό του κάθε παραθύρου που απαιτείται ώστε να μην μπαίνει ο ήλιος στο δωμάτιο. β) Αρχική κατάσταση: Μέσα στο δωμάτιο υπάρχει κάποιος και οι κουρτίνες είναι κατεβασμένες σε κάποια θέση λόγω του ήλιου. Αλλαγή κατάστασης: Η θέση του ήλιου είναι τέτοια που οι ακτίνες του πλέον δεν μπαίνουν από τα παράθυρα. Αισθητήρας: Ο αισθητήρας φωτεινότητας που είναι στο παράθυρο και παρακολουθεί την τροχιά του ήλιου αντιλαμβάνεται ότι πλέον οι ακτίνες του ήλιου δεν περνάνε μέσα από τα παράθυρα και πρέπει να ανέβουν οι κουρτίνες. Αυτοματισμός: Το σύστημα δίνει εντολή στον αυτοματισμό που είναι υπεύθυνος για τον χειρισμό των κουρτινών να ανεβάσει και τις 2 κουρτίνες ώστε να καλύπτουν το 0% του κάθε παραθύρου. Τελική κατάσταση: Μέσα το δωμάτιο υπάρχει παρουσία ατόμου και οι κουρτίνες είναι ανεβασμένες ώστε να καλύπτουν 0% του κάθε παραθύρου αφού δεν μπαίνει ο ήλιος στο δωμάτιο. Β3) Έλεγχος εξωτερικού φωτισμού (συνθήκες εργασίας με χαμηλό φωτισμό) α) Αρχική κατάσταση: Μέσα στο δωμάτιο υπάρχει παρουσία ατόμου και δεν είναι καθορισμένο ότι βρίσκεται σε κάποια από τις θέσεις εργασίας μπροστά από τα παράθυρα άρα και οι δύο κουρτίνες βρίσκονται σε κάποιο ύψος ανάλογα τις συνθήκες. Αλλαγή κατάστασης: Ο χρήστης περιορίζεται σε κάποια από τις δύο θέσεις εργασίας μπροστά από τα παράθυρα. Αισθητήρας: Ο αισθητήρας που είναι υπεύθυνος για να καθορίσει την θέση στην οποία βρίσκεται ο χρήστης υπολογίζει την περιοχή που βρίσκεται και ο αισθητήρας φωτεινότητας που είναι στο παράθυρο και παρακολουθεί την τροχιά του ήλιου υπολογίζει σε τι ποσοστό πρέπει να καλυφθεί το παράθυρο που βρίσκεται μπροστά από τον χρήστη για να μην είναι ενοχλητικό το εξωτερικό φως και έχει αρνητική επίδραση στην εργασία του χρήστη. Αυτοματισμός: Το σύστημα, σύμφωνα με την περιοχή που του έστειλε ο αισθητήρας αλλά και το επίπεδο της εξωτερικής φωτεινότητας, δίνει εντολή στον αυτοματισμό που είναι υπεύθυνος για τον χειρισμό των κουρτινών να κατεβάσει μόνο την κουρτίνα που βρίσκεται μπροστά στον χρήστη ώστε να καλύπτει το αντίστοιχο παράθυρο στο ποσοστό που υπολόγισε ο αισθητήρας φωτεινότητας στο παράθυρο. 115

116 Τελική κατάσταση: Μέσα στο δωμάτιο υπάρχει κάποιος σε μία συγκεκριμένη θέση εργασίας μπροστά από κάποιο παράθυρο και είναι κατεβασμένη μόνο η κουρτίνα που βρίσκεται μπροστά του όσο χρειάζεται ώστε μην είναι ενοχλητικό το εξωτερικό φως. β) Αρχική κατάσταση: Μέσα στο δωμάτιο υπάρχει κάποιος και βρίσκεται σε κάποια από τις θέσεις εργασίας μπροστά από τα παράθυρα άρα η αντίστοιχη κουρτίνα βρίσκεται στο κατάλληλο ύψος. Αλλαγή κατάστασης: Ο χρήστης αλλάζει θέση εργασίας και κάθεται στην άλλη θέση εργασίας μπροστά από τα παράθυρα. Αισθητήρας: Ο αισθητήρας που είναι υπεύθυνος για να καθορίσει την θέση στην οποία βρίσκεται ο χρήστης υπολογίζει την νέα περιοχή που εργάζεται ο χρήστης και ο αισθητήρας φωτεινότητας που είναι στο παράθυρο και παρακολουθεί την τροχιά του ήλιου υπολογίζει σε τι ποσοστό πρέπει να καλυφθεί το παράθυρο που βρίσκεται μπροστά από τον χρήστη για να μην είναι ενοχλητικό το εξωτερικό φως. Αυτοματισμός: Το σύστημα, σύμφωνα με την περιοχή που του έστειλε ο αισθητήρας αλλά και το επίπεδο της εξωτερικής φωτεινότητας, δίνει εντολή στον αυτοματισμό των κουρτινών να κατεβάσει μόνο την κουρτίνα που βρίσκεται μπροστά στον χρήστη ώστε να καλύπτει το αντίστοιχο παράθυρο στο ποσοστό που υπολόγισε ο αισθητήρας φωτεινότητας στο παράθυρο και ανεβάζει την άλλη κουρτίνα στο κανονικό της επίπεδο αφού δεν εργάζεται κάποιος μπροστά σε αυτό το παράθυρο.. Τελική κατάσταση: Μέσα στο δωμάτιο υπάρχει κάποιος σε μία συγκεκριμένη θέση εργασίας μπροστά από κάποιο παράθυρο και είναι κατεβασμένη μόνο η κουρτίνα που βρίσκεται μπροστά του ώστε να καλύπτει το ποσοστό του παραθύρου που είναι απαραίτητο για να μην είναι ενοχλητικό το εξωτερικό φως. γ) Αρχική κατάσταση: Μέσα στο δωμάτιο υπάρχει κάποιος και βρίσκεται σε κάποια από τις θέσεις εργασίας μπροστά από τα παράθυρα άρα η αντίστοιχη κουρτίνα βρίσκεται στο κατάλληλο ύψος. Αλλαγή κατάστασης: Ο χρήστης αλλάζει θέση εργασίας και κάθεται στον πάγκο του εργαστηρίου. Αισθητήρας: Ο αισθητήρας που είναι υπεύθυνος για να καθορίσει την θέση στην οποία βρίσκεται ο χρήστης υπολογίζει την νέα περιοχή που εργάζεται ο χρήστης και ο αισθητήρας φωτεινότητας που είναι στο παράθυρο και παρακολουθεί την τροχιά του ήλιου υπολογίζει σε τι ποσοστό πρέπει να καλυφθούν τα παράθυρα από τις κουρτίνες για να μη περνάει ο ήλιος μέσα στο δωμάτιο. Αυτοματισμός: Το σύστημα, σύμφωνα με την περιοχή που του έστειλε ο αισθητήρας αλλά και το επίπεδο της εξωτερικής φωτεινότητας, δίνει εντολή στον αυτοματισμό που είναι υπεύθυνος για τον χειρισμό των κουρτινών και κατεβάζει/ανεβάζει και τις 2 κουρτίνες ώστε να καλύπτουν το κάθε παράθυρο στο ποσοστό που υπολόγισε ο αισθητήρας φωτεινότητας που παρακολουθεί την τροχιά του ήλιου. Τελική κατάσταση: Μέσα το δωμάτιο εργάζεται κάποιος στον πάγκο του εργαστηρίου και οι κουρτίνες είναι κατεβασμένες ώστε να καλύπτουν το ποσοστό του κάθε παραθύρου που απαιτείται ώστε να μην μπαίνει ο ήλιος στο δωμάτιο. Γ. Σύστημα Εξαερισμού Στο δωμάτιο, υπενθυμίζουμε ότι, υπάρχει ένα σύστημα εξαερισμού που έχει την δυνατότητα να εισάγει νωπό αέρα από έξω ή να εξάγει αέρα από το εσωτερικό του δωματίου και ελέγχεται από το mote του αυτοματισμού. Οπότε ας δούμε κάποια βασικά σενάρια που αναπτύχθηκαν: 116

117 Γ1) Εξαγωγή αέρα από το δωμάτιο Αρχική κατάσταση: Μέσα στο δωμάτιο υπάρχει παρουσία ατόμου και δεν λειτουργεί ο εξαερισμός. Αλλαγή κατάστασης: Η ποιότητα του αέρα στο δωμάτιο δεν είναι στα ικανοποιητικά επίπεδα λόγω ρύπων. Αισθητήρας: Ο αισθητήρας που είναι υπεύθυνος για την μέτρηση των ρύπων στην ατμόσφαιρα του δωματίου αντιλαμβάνεται τους αυξημένους ρύπους (σκόνη, CO, CO 2 ) και υπολογίζει για πόση ώρα πρέπει να εξάγεται αέρας από το δωμάτιο. Αυτοματισμός: Το σύστημα, σύμφωνα με την τιμή που του έστειλε ο αισθητήρας, δίνει εντολή στον αυτοματισμό που είναι υπεύθυνος για τον χειρισμό του εξαερισμού να ανοίξει τον εξαερισμό στην λειτουργία εξαγωγής του αέρα ώστε να εξαχθεί αέρας για όση ώρα υπολογίστηκε σύμφωνα με τον όγκο του δωματίου, και στην συνέχεια κλείνει πάλι. Τελική κατάσταση: Μέσα στο δωμάτιο υπάρχει παρουσία ατόμου και δεν λειτουργεί ο εξαερισμός αφού έχει εξαχθεί όσος αέρας χρειαζόταν. Γ2) Εισαγωγή φρέσκου αέρα Αρχική κατάσταση: Μέσα στο δωμάτιο υπάρχουν κάποιοι χρήστες(ή κάποιος πιστοποιημένος χρήστης έφτασε στο κτίριο και έρχεται στο δωμάτιο) και τα παράθυρα είναι κλειστά. Αλλαγή κατάστασης: Πρέπει να διατηρηθεί η ποιότητα του αέρα στο δωμάτιο στα επιθυμητά επίπεδα σύμφωνα με το πρότυπο CEN Standard pren15251 όπως επιβάλλεται για τα δημόσια κτίρια κατόπιν της υπ αριθμόν Δ6/Β/14826 απόφασης (ΦΕΚ Β 1122, 17 Ιουνίου2008). Αισθητήρας: Ο αισθητήρας που είναι υπεύθυνος για τον εντοπισμό θέσης του χρήστη στο δωμάτιο υπολογίζει πόσοι χρήστες υπάρχουν στον χώρο. Ο αισθητήρας που ελέγχει αν είναι ανοιχτά τα παράθυρα και οι πόρτες του χώρου δίνει εντολή ότι είναι όλα κλειστά. Αυτοματισμός: Το σύστημα, σύμφωνα με τον αριθμό των χρηστών που υπολόγισε ο αισθητήρας, υπολογίζει πόση ώρα πρέπει να λειτουργήσει ο εξαεριστήρας για να εισάγει φρέσκο αέρα στο δωμάτιο. Σύμφωνα με την υπ αριθμόν Δ6/Β/14826 απόφαση (ΦΕΚ Β 1122, 17 Ιουνίου2008) η ποσότητα του φρέσκου αέρα πρέπει να είναι q tot = n q p + A q B, όπου n ο αριθμός των ατόμων στον χώρο, q p η ποσότητα αέρα ανά άτομο που ορίζεται σε 7 lt/s/άτομο για δημόσια κτίρια, A το εμβαδόν του χώρου (στην περίπτωσή μας το δωμάτιο είναι περίπου 17m 2 ) και q Β ο ρυθμός αερισμού που σχετίζεται με τις εκπομπές του κτιρίου και ορίζεται σε 0,4 lt/s/m 2 για δημόσια κτίρια. Άρα ενδεικτικά υπολογίζουμε όταν υπάρχουν 4 άτομα στον χώρο ότι πρέπει να αερίζεται με ρυθμό 35 lt/s. Ο εξαεριστήρας μας όμως παρέχει αέρα με ρυθμό 85 lt/s. Άρα πρέπει να λειτουργεί περίπου 25 λεπτά σε περίοδο 1 ώρας. Τελική κατάσταση: Μέσα στο δωμάτιο η ποιότητα του αέρα είναι κατάλληλη αφού έχει εισαχθεί όσος αέρας απαιτείται για τον συγκεκριμένο αριθμό χρηστών που υπάρχουν. Δ. Σύστημα Κλιματισμού Στο δωμάτιο, υπενθυμίζουμε ότι, υπάρχει ένα σύστημα κλιματισμού που έχει την δυνατότητα να ψύχει, να θερμαίνει και να υγραίνει τον εσωτερικό τον αέρα του δωματίου και ελέγχεται από το mote του αυτοματισμού. Οπότε ας δούμε κάποια βασικά σενάρια που αναπτύχθηκαν: 117

118 Δ1) Διατήρηση σταθερής θερμοκρασίας στο δωμάτιο α) Αρχική κατάσταση: Μέσα στο δωμάτιο υπάρχει κάποιος χρήστης (ή έφτασε στο κτίριο και έρχεται σε αυτό) και τα παράθυρα είναι κλειστά. Αλλαγή κατάστασης: Πρέπει να διατηρηθεί η θερμοκρασία στο δωμάτιο στα επιθυμητά επίπεδα σύμφωνα με το πρότυπο CEN Standard pren15251 όπως επιβάλλεται για τα δημόσια κτίρια κατόπιν της υπ αριθμόν Δ6/Β/14826 απόφασης (ΦΕΚ Β 1122, 17 Ιουνίου2008). Αισθητήρας: Ο αισθητήρας που είναι υπεύθυνος για την ανίχνευση παρουσίας στο δωμάτιο δίνει εντολή ότι υπάρχει χρήστης στον χώρο. Ο αισθητήρας που ελέγχει αν είναι ανοιχτά τα παράθυρα και οι πόρτες του χώρου δίνει εντολή ότι είναι όλα κλειστά. Αυτοματισμός: Το σύστημα, λαμβάνοντας υπόψη την τρέχουσα εποχή του χρόνου και τις μετρήσεις που επικρατούν στο εξωτερικό περιβάλλον, αποφασίζει την θερμοκρασία που πρέπει να έχει το δωμάτιο. Σύμφωνα με την υπ αριθμόν Δ6/Β/14826 απόφαση (ΦΕΚ Β 1122, 17 Ιουνίου2008) η θερμοκρασία που πρέπει να έχουν οι εσωτερικοί χώροι γραφείων των κτιρίων του δημοσίου είναι 27oC κατά την θερινή περίοδο και 16oC κατά την χειμερινή. Στην συνέχεια θέτει στο σύστημα του κλιματισμού την επιθυμητή θερμοκρασία και την αντίστοιχη λειτουργία που χρειάζεται (ψύξη ή θέρμανση). Τελική κατάσταση: Μέσα το δωμάτιο υπάρχει παρουσία ατόμου και ο κλιματισμός έχει ρυθμιστεί στην κατάλληλη θερμοκρασία που απαιτείται ώστε να υπάρχει η βέλτιστη θερμική άνεση στο δωμάτιο. β) Αρχική κατάσταση: Μέσα στο δωμάτιο υπάρχει παρουσία ατόμου, ο κλιματισμός λειτουργεί και τα παράθυρα είναι κλειστά. Αλλαγή κατάστασης: Ο χρήστης ανοίγει κάποιο παράθυρο του δωματίου. Αισθητήρας: Ο αισθητήρας που ελέγχει αν είναι ανοιχτά τα παράθυρα και οι πόρτες του χώρου δίνει εντολή ότι άνοιξε το συγκεκριμένο παράθυρο. Αυτοματισμός: Το σύστημα διακόπτει την λειτουργία του κλιματισμού. Τελική κατάσταση: Κάποιο από τα παράθυρα του δωματίου είναι ανοιχτό και ο κλιματισμός είναι εκτός λειτουργίας. γ) Αρχική κατάσταση: Μέσα στο δωμάτιο υπάρχει παρουσία ατόμου, ο κλιματισμός δεν λειτουργεί και κάποιο από τα παράθυρα είναι ανοιχτό. Αλλαγή κατάστασης: Ο χρήστης κλείνει τα ανοιχτά παράθυρα του δωματίου. Αισθητήρας: Ο αισθητήρας που ελέγχει αν είναι ανοιχτά τα παράθυρα και οι πόρτες του χώρου δίνει εντολή ότι έκλεισαν τα συγκεκριμένα παράθυρα. Αυτοματισμός: Το σύστημα δίνει εντολή να τεθεί σε λειτουργία ο κλιματισμός σύμφωνα με προδιαγραφές που αναφέραμε στο σενάριο Δ1α. Τελική κατάσταση: Όλα τα παράθυρα του δωματίου είναι κλειστά και ο κλιματισμός είναι σε λειτουργία. Δ2) Ύγρανση του αέρα στο δωμάτιο α) Αρχική κατάσταση: Μέσα στο δωμάτιο υπάρχει παρουσία ατόμου ο κλιματισμός είναι σε λειτουργία. Αλλαγή κατάστασης: Η υγρασία του χώρου είναι κάτω από το όριο που έχει οριστεί ως ελάχιστο για να υπάρχει θερμική άνεση του χρήστη. Αισθητήρας: Ο αισθητήρας που είναι υπεύθυνος για την μέτρηση της σχετικής υγρασίας του χώρου στο δωμάτιο στέλνει την μέτρηση στο σύστημα. Αυτοματισμός: Το σύστημα, λαμβάνοντας υπόψη την τρέχουσα εποχή του χρόνου και την θερμοκρασία στο εσωτερικό περιβάλλον, ελέγχει αν η υγρασία είναι κάτω από τα όρια που έχουν τεθεί ώστε να υπάρχει θερμική άνεση του χρήστη. Σύμφωνα 118

119 με την Τεχνική Οδηγία του Τεχνικού Επιμελητηρίου Ελλάδος (ΤΟΤΕΕ 2425/86) η σχετική υγρασία που πρέπει να επικρατεί σε έναν χώρο γραφείου είναι 40-50% κατά την θερινή περίοδο και 30-35% κατά την χειμερινή. Εφ όσον η σχετική υγρασία του χώρου είναι κάτω από αυτά τα όρια, τίθεται το σύστημα του κλιματισμού σε λειτουργία ύγρανσης του αέρα. Τελική κατάσταση: Μέσα το δωμάτιο υπάρχει κάποιος χρήστης και ο κλιματισμός υγραίνει τον αέρα ώστε να υπάρχει η βέλτιστη θερμική άνεση στο δωμάτιο. Ε. Σύστημα Διαχείρισης των Standby Συσκευών Στο δωμάτιο υπάρχει εγκατεστημένο ένα πολύπριζο, στο οποίο συνδέονται όλες οι συσκευές που περνάνε σε κατάσταση αναμονής (standby) όταν περάσει κάποιος χρόνος χωρίς να χρησιμοποιούνται. Το πολύπριζο αυτό ελέγχεται από το mote του αυτοματισμού, και απενεργοποιείται ή ενεργοποιείται όταν Οπότε ας δούμε κάποια βασικά σενάρια που αναπτύχθηκαν: Ε1) Παρουσία ατόμου α) Αρχική κατάσταση: Μέσα στο δωμάτιο δεν υπάρχει κανένας και το πολύπριζο είναι απενεργοποιημένο. Αλλαγή κατάστασης: Εισέρχεται κάποιος στο δωμάτιο. Αισθητήρας: Ο αισθητήρας παρουσίας αντιλαμβάνεται την παρουσία κάποιου. Αυτοματισμός: Το σύστημα δίνει εντολή στον αυτοματισμό που είναι υπεύθυνος για τον χειρισμό των standby συσκευών και ενεργοποιεί το πολύπριζο. Τελική κατάσταση: Μέσα στο δωμάτιο υπάρχει παρουσία ατόμου και οι standby συσκευές τροφοδοτούνται με ρεύμα. β) Αρχική κατάσταση: Μέσα στο δωμάτιο υπάρχει παρουσία ατόμου και οι standby συσκευές τροφοδοτούνται με ρεύμα. Αλλαγή κατάστασης: Όλοι όσοι είναι στο δωμάτιο φεύγουν. Αισθητήρας: Ο αισθητήρας παρουσίας δεν αντιλαμβάνεται την παρουσία κάποιου. Αυτοματισμός: Το σύστημα δίνει εντολή στον αυτοματισμό που είναι υπεύθυνος για τον χειρισμό των standby συσκευών και απενεργοποιεί το πολύπριζο. Τελική κατάσταση: Μέσα στο δωμάτιο δεν υπάρχει παρουσία ατόμου και οι standby συσκευές έχουν απενεργοποιηθεί Εξοικονόμηση ενέργειας Στην ενότητα αυτή θα μελετήσουμε την εξοικονόμηση ενέργειας που επιτυγχάνει το σύστημα των αυτοματισμών που αναπτύξαμε. Για να μπορέσουμε, όμως να δούμε την εξοικονόμηση ενέργειας που μπορούμε να πετύχουμε, πρέπει να δούμε για μία τυπική χρήση του χώρου πώς συμπεριφέρονται οι χρήστες, πόση ενέργεια καταναλώνεται από την συμπεριφορά αυτή των χρηστών και να μετρήσουμε την ενέργεια που θα καταναλωθεί αν το σύστημά μας λειτουργήσει αυτόματα. 119

120 Πιο συγκεκριμένα, ας μελετήσουμε μία περίπτωση που είναι η πιο συνηθισμένη για την χρήση του συγκεκριμένου χώρου. Στο εργαστήριο, συνήθως, σε καθημερινή βάση εργάζεται κάποιος φοιτητής από τις 9:00 π.μ. μέχρι τις 7:00 μ.μ., ενώ περίπου για 2 ώρες κάθε μεσημέρι απουσιάζει για το μεσημεριανό του γεύμα. Για να είμαστε πιο συγκεκριμένοι, θα εξετάσουμε την χρήση του δωματίου για ένα ολόκληρο 24ωρο. Έστω ότι μία τυπική χρήση του δωματίου ότι είναι της μορφής: Ο χρήστης έρχεται για πρώτη φορά στο δωμάτιο στις 9:00. Στις 11:30-12:00 λείπει από το δωμάτιο γιατί είναι σε κάποια συνάντηση σε ένα διπλανό γραφείο. Στις 14:00-16:00 λείπει από το δωμάτιο για το μεσημεριανό γεύμα. Στις 17:30-18:00 λείπει από το δωμάτιο γιατί είναι σε συνάντηση σε ένα διπλανό γραφείο. Στις 19:00 φεύγει από το γραφείο. Μετά από μία σειρά μετρήσεων για μεγάλο διάστημα είδαμε ότι η συγκεκριμένη χρήση που αναφέρουμε, είναι η μέση χρήση του δωματίου, και μάλιστα η καθημερινή κατανάλωση ενέργειας του δωματίου είναι κάθε μέρα η ίδια περίπου (ακριβώς για τον λόγο αυτό, ότι δηλαδή το δωμάτιο σε καθημερινή βάση έχει περίπου την ίδια χρήση από τους χρήστες). Έτσι θα εξετάσουμε την παραπάνω περίπτωση για να μπορεί η ανάλυσή μας να γίνει πιο συγκεκριμένη, και τα αποτελέσματα πιο κατανοητά. Ας δούμε όμως τις μετρήσεις που έγιναν όταν ο χρήστης χρησιμοποιεί το δωμάτιο χωρίς τους αυτοματισμούς, αλλά και όταν το σύστημα αναλαμβάνει την αυτόματη λειτουργία του δωματίου. Για να μπορέσουμε όμως να έχουμε πιο σαφή εικόνα θα μελετήσουμε την κατανάλωση ενέργειας του κάθε συστήματος ξεχωριστά και στην συνέχεια την συνολική. Σύστημα Φωτισμού (Εξοικονόμηση: 82%) Στο Δωμάτιο υπάρχουν 4 φωτιστικά σώματα που συνολικά καταναλώνουν 350 Wh (άρα το ένα περίπου 90 Wh). Έτσι σε κάθε περίπτωση έχουμε: MANUAL χρήση: (συνολική κατανάλωση: 3,5 KWh το 24-ωρο) Ο χρήστης στις 9:00 που έρχεται ανάβει και τα 4 τα φώτα και τα σβήνει πάλι στις 19:00 που φεύγει οριστικά από το δωμάτιο. AUTO χρήση: (συνολική κατανάλωση: 0,63 KWh το 24-ωρο) Όταν μπει ο χρήστης στο δωμάτιο (και όσο βρίσκεται σε αυτό) ανάβει αυτόματα μόνο ένα φωτιστικό (αυτό που βρίσκεται από πάνω του) και σβήνει αυτόματα όταν αποχωρεί από το δωμάτιο έστω και για λίγο. Στο διάγραμμα της εικόνας 4.20 φαίνεται η κατανάλωση ενέργειας του συστήματος φωτισμού και για τις δύο περιπτώσεις. 120

121 Εικόνα 4.20 Κατανάλωση ενέργειας του συστήματος φωτισμού σε αυτόματη και χειροκίνητη λειτουργία. Σύστημα Κλιματισμού (Εξοικονόμηση: 29%) Στο Δωμάτιο υπάρχει μία κλιματιστική μονάδα. Έτσι σε κάθε περίπτωση έχουμε: MANUAL χρήση: (συνολική κατανάλωση: 15,2 KWh το 24-ωρο) - Στις 9:00 που εισέρχεται ο χρήστης στο δωμάτιο, θέτει το κλιματιστικό στη λειτουργία θέρμανσης στην θερμοκρασία 28οC. - Το κλιματιστικό δεν σβήνει μέχρι ο χρήστης να το απενεργοποιήσει όταν φύγει οριστικά από το δωμάτιο στις 19:00. AUTO χρήση: (συνολική κατανάλωση: 10,9 KWh το 24-ωρο) Ο Αυτοματισμός ενεργοποιεί το κλιματιστικό στις 9:00 που εισέρχεται ο χρήστης στο δωμάτιο, θέτει το κλιματιστικό στη λειτουργία θέρμανσης στην θερμοκρασία 28οC. Όταν ο χρήστης φεύγει από στο δωμάτιο, έστω και για λίγο, το κλιματιστικό απενεργοποιείται. Στο διάγραμμα της εικόνας 4.21 φαίνεται η κατανάλωση ενέργειας του συστήματος κλιματισμού και για τις δύο περιπτώσεις. 121

122 Εικόνα 4.21 Κατανάλωση ενέργειας του συστήματος κλιματισμού σε αυτόματη και χειροκίνητη λειτουργία. Σύστημα Εξαερισμού (Εξοικονόμηση: 86%) Στο Δωμάτιο υπάρχει μία μονάδα εξαερισμού που καταναλώνει 32 Wh. Έτσι σε κάθε περίπτωση έχουμε: MANUAL χρήση: (συνολική κατανάλωση: 320 KWh το 24-ωρο) - Ο χρήστης ανάβει τον εξαερισμό στις 9:00 που έρχεται, ώστε να εξάγει συνεχώς αέρα από το δωμάτιο και τον σβήνει πάλι στις 19:00 που φεύγει οριστικά από το δωμάτιο. AUTO χρήση: (συνολική κατανάλωση: 43 KWh το 24-ωρο) - Ο εξαερισμός λειτουργεί μόνο αν υπάρχει χρήστης στο δωμάτιο. - Ο εξαερισμός ξεκινάει να εξάγει αέρα κάθε xx:00 της ώρας για διάρκεια 5 min και εισάγει φρέσκο αέρα κάθε xx:30 της ώρας για διάρκεια 5 min. - Ο αέρας του δωματίου ανανεώνεται όσο είναι απαραίτητο όταν βρίσκεται ένας μόνο χρήστης στο συγκεκριμένο δωμάτιο. Στο διάγραμμα της εικόνας 4.22 φαίνεται η κατανάλωση ενέργειας του συστήματος εξαερισμού και για τις δύο περιπτώσεις. 122

123 Εικόνα 4.22 Κατανάλωση ενέργειας του συστήματος εξαερισμού σε αυτόματη και χειροκίνητη λειτουργία. Σύστημα Standby συσκευών (Εξοικονόμηση: 49%) Στο Δωμάτιο υπάρχουν 3 οθόνες Υπολογιστή που καταναλώνουν και οι τρείς μαζί 114 Wh όταν είναι σε κατάσταση κανονικής λειτουργίας και 48 Wh σε κατάσταση αναμονής. Έτσι σε κάθε περίπτωση έχουμε: MANUAL χρήση: (συνολική κατανάλωση: 1786 Wh το 24-ωρο) - Ο χρήστης χρησιμοποιεί τις οθόνες από τις 9:00 που έρχεται και καθ όλη την διάρκεια που βρίσκεται στο δωμάτιο. - Οι οθόνες περνάνε σε κατάσταση Αναμονής όταν ο χρήστης δεν τις χρησιμοποιεί για 30 min. AUTO χρήση: (συνολική κατανάλωση: 912 Wh το 24-ωρο) - Όταν ο χρήστης δεν βρίσκεται στο δωμάτιο οι οθόνες απενεργοποιούνται από τον αυτοματισμό και ενεργοποιούνται όταν αυτός εισέλθει ξανά. - Δεν περνάνε ποτέ σε κατάσταση Αναμονής. Στο διάγραμμα της εικόνας 4.23 φαίνεται η κατανάλωση ενέργειας των οθονών και για τις δύο περιπτώσεις. 123

124 Εικόνα 4.23 Κατανάλωση ενέργειας του συστήματος διαχείρισης standby συσκευών σε αυτόματη και χειροκίνητη λειτουργία. Συνολικά για όλα τα συστήματα του δωματίου (Εξοικονόμηση: 35%) Παρατηρούμε ότι στο κάθε σύστημα πετύχαμε διαφορετικό ποσοστό εξοικονόμησης ενέργειας, που κυμαίνεται από. 29% έως 86%. Όμως, δεν είναι το ίδιο ενεργοβόρα όλα τα συστήματα, με αποτέλεσμα η συνολική εξοικονόμηση ενέργειας που πετυχαίνουμε στο δωμάτιο να καθορίζεται κυρίως από το σύστημα κλιματισμού και φωτισμού, χωρίς να είναι αμελητέες ποσότητες οι υπόλοιπες καταναλώσεις (ειδικά όταν ανάγουμε τα μεγέθη από ένα δωμάτιο σε ένα ολόκληρο κτίριο). Έτσι η συνολική κατανάλωση του δωματίου για ένα 24ωρο είναι 17,14 KWh κατά την MANUAL χρήση και 11,2 KWh κατά την AUTO χρήση. Αυτό μας οδηγεί σε μία εξοικονόμηση ενέργειας συνολικά της τάξεως του 35% για όλο το 24ωρο, και πιο αναλυτικά φαίνεται στο γράφημα της εικόνας

125 Εικόνα 4.25 Κατανάλωση ενέργειας συνολικά του δωματίου σε αυτόματη και χειροκίνητη λειτουργία Άλλες εφαρμογές Το σύστημα που αναπτύχθηκε και περιγράφθηκε αναλυτικά στις προηγούμενες ενότητες, έχει ως βασικό του χαρακτηριστικό την ευελιξία του ώστε να προσαρμόζεται εύκολα και για πολλές άλλες εφαρμογές. Η εφαρμογή που έγινε στο εργαστήριο ασύρματων δικτύων αισθητήρων του τμήματος Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Πληροφορικής, είναι ενδεικτικό παράδειγμα για την διαχείριση και τον αυτόματο έλεγχο οποιουδήποτε κτιρίου (κατοικίες, εργασιακοί χώροι γραφείων, καταστήματα, εστιατόρια, εμπορικά κέντρα, κλπ). Εκτός όμως από την εφαρμογή του συστήματος στο εργαστήριο, έχουν γίνει από την ερευνητική ομάδα του εργαστηρίου και άλλες εφαρμογές που δείχνουν την ευελιξία του συστήματος και την δυνατότητά του να διαχειρίζεται και άλλες εγκαταστάσεις. Στις επόμενες ενότητες θα δούμε συνοπτικά τέτοιες εφαρμογές που αφορούν δημόσια κτίρια, αγροτικές καλλιέργειες και βιομηχανικές μονάδες. 125

126 Γυμνάσιο Βραχναιΐκων Τα δημόσια κτίρια, είναι μία ειδική κατηγορία κτιρίων στα οποία οι κύριες ανάγκες είναι ο φωτισμός και η θέρμανση. Όλα τα δημόσια κτίρια (δημόσιες υπηρεσίες, σχολεία, κλπ) έχουν κατά κύριο λόγο τις ίδιες ιδιότητες και μπορούμε να τα εξετάσουμε με ενιαίο τρόπο. Σε όλα τα δημόσια κτίρια η χρήση τους είναι κυρίως τις πρωινές ώρες, και η κατανάλωση ενέργειας σχεδόν εξ ολοκλήρου αποδίδεται στον φωτισμό του κτιρίου και τον κλιματισμό του (θέρμανση τον χειμώνα και ψύξη το καλοκαίρι). Το κτίριο που επιλέξαμε να κάνουμε την εφαρμογή του συστήματός μας, είναι το Γυμνάσιο Βραχναιΐκων, που βρίσκεται στα προάστια της Πάτρας. Το συγκεκριμένο σχολείο δεν έχει διαθέτει κλιματισμού, αλλά σύστημα κεντρικής θέρμανσης με καυστήρα πετρελαίου, που ήταν δύσκολο να μελετηθεί η ενεργειακή συμπεριφορά για την θέρμανση σε ένα μέρος του κτιρίου. Έτσι, επιλέξαμε να μελετήσουμε την ενεργειακή κατανάλωση του συστήματος φωτισμού των αιθουσών που βρίσκονται στον πρώτο όροφο. Για τον σκοπό αυτό εγκαταστήσαμε έναν τριφασικό αναλυτή ενέργειας στον πίνακα του πρώτου ορόφου, και ομαδοποιήσαμε την παροχή ρεύματος των αιθουσών ώστε να απομονωθούν κάποιες αίθουσες και να μπορούμε να μετράμε την κατανάλωση ενέργειας ξεχωριστά για κάποιες από αυτές. Στην εικόνα 4.26 φαίνεται η κάτοψη του πρώτου ορόφου του σχολείου. Εικόνα 4.26 Η κάτοψη του πρώτου ορόφου του Γυμνασίου Βραχναιΐκων. Στην παρούσα φάση γίνονται μετρήσεις ώστε να σκιαγραφηθεί το ενεργειακό προφίλ μίας τυπικής αίθουσας δημόσιου σχολείου. Στην συνέχεια θα τοποθετηθεί σε μία αίθουσα πιλοτικά, ο αυτοματισμός που θα ελέγχει τον φωτισμό της αίθουσας. Ο αισθητήρας που θα εγκατασταθεί θα ελέγχει την φωτεινότητα του χώρου, την παρουσία ή όχι ανθρώπων και αναλόγως θα ενεργοποιεί το κάθε ένα από τα δύο κυκλώματα φωτισμού που είναι εγκατεστημένα στην αίθουσα. Με τις μετρήσεις από τους δύο αυτούς αισθητήρες θα μπορούν να σβήνουν όλα τα φώτα όταν κανένας δεν έιναι στην αίθουσα (οι μαθητές 126

127 κάνουν διάλειμμα, γυμναστική, έχουν πάει εκδρομή, έχουν σχολάσει, κλπ) και επιπλέον ακόμα όταν κάνουν μάθημα και ο φυσικός φωτισμός από τα παράθυρα είναι αρκετός τότε να ανάβουν (αν χρειάζεται) μόνο τα φώτα που είναι απαραίτητα. Με την απλή αυτή εφαρμογή, και από τις μέχρι τώρα μετρήσεις που έχουν γίνει υπολογίζεται ότι η εξοικονόμηση ενέργειας μόνο από τον φωτισμό στις αίθουσες θα είναι τουλάχιστον 40%. Στην εικόνα 4.27 φαίνεται η κάτοψη μία τυπικής αίθουσας, που περιλαμβάνει 8 φωτιστικά σώματα που συνδέοντα στα δύο κυκλώματα Α και Β. Εικόνα 4.27 Η κάτοψη μίας τυπικής αίθουσας του Γυμνασίου, που περιλαμβάνει 8 φωτιστικά σώματα με λάμπες φθορισμού που συνδέοντα στα δύο κυκλώματα Α και Β Θερμοκήπια φράουλας Ένα πρότυπο σύστημα αυτόματης άρδευσης σχεδιάστηκε, αναπτύχθηκε και εφαρμόστηκε πιλοτικά στις εγκαταστάσεις καλλιέργειας φράουλας του κ. Αρβανιτάκη στην δυτική Πελοπόννησο κατά την περίοδο συγκομιδής της φράουλας (μήνες Μάιος Ιούνιος Ιούλιος 2012). Η έκταση που χρησιμοποιήθηκε ήταν 400 τ.μ. σε καλλιέργεια θερμοκηπίου με αμμώδες χώμα στην ρίζα του φυτού, PH 6.5 και μέτρια σκληρότητα νερού. Η άρδευση της καλλιέργειας γίνεται με νερό που αντλείται από γεώτρηση, αποταμιεύεται σε δεξαμενή και διοχετεύεται στην καλλιέργεια με αρδευτικό σύστημα επιφανείας. Η επιλογή της 127

128 καλλιέργειας και της περιόδου δοκιμαστικής λειτουργίας του συστήματος έγιναν με κριτήριο την ευαισθησία του φυτού της φράουλας στις διακυμάνσεις της παροχής νερού. Συγκεκριμένα, κατά την περίοδο συγκομιδής οι ανάγκες του φυτού σε νερό είναι αυξημένες λόγω των υψηλών θερμοκρασιών και της έντονης διαπνοής του φυτού από το φύλλωμα. Παράλληλα, ο καρπός της φράουλας είναι εξαιρετικά ευαίσθητος καθώς το πλεόνασμα νερού προκαλεί τροφοπενία σιδήρου και ο καρπός γίνεται υπερβολικά μαλακός και είναι μη εκμεταλλεύσιμος, ενώ η έλλειψή του προκαλεί τροφοπενία ασβεστίου και ο καρπός γίνεται πράσινος αντί για κόκκινος. Ο στόχος για το έξυπνο σύστημα που εγκαταστήσαμε ήταν να εξοικονομεί νερό σχέση με τις συμβατικές, εμπειρικές μεθόδους άρδευσης και ταυτόχρονα, να διατηρεί την υγρασία εδάφους σε μικρότερα ποσοστά αποκλίσεων από αυτές που παρουσιάζουν οι συμβατικές, εμπειρικές μέθοδοι άρδευσης. Το σύστημα που αναπτύχθηκε, δειγματοληπτέι συχνά την υγρασία του εδάφους κοντά στις ρίζες του φυτού, και ανάλογα με το επίπεδο της υγρασίας, ποτίζει το θερμοκήπιο όσο χρειάζεται. Για την δειγματοληψία της υγρασίας εδάφους χρησιμοποιήσαμε τον ειδικό εξωτερικό αισθητήρα της εταιρείας Decagon EC-5 [11] που συνδέθηκε στο TelosB. Για τον έλεγχο της παροχής νερού στην καλλιέργεια χρησιμοποιήσαμε ηλεκτροβάνες εμπορίου της εταιρείας Irritol [12]. Στο θερμοκήπιο εφαρμόσαμε τον αυτοματισμό, το σχέδιο του οποίου φαίνεται στην εικόνα Εικόνα 4.28 Σχέδιο Αυτοματισμού για αυτόματο πότισμα. Συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκαν δύο θερμοκήπια στα οποία εγκαταστάθηκε ασύρματο δίκτυο αισθητήρων (Α.Δ.Α), αποτελούμενο από μικροελεγκτές εφοδιασμένους 128

129 με αισθητήρες μέτρησης της υγρασίας εδάφους, φωτός και θερμοκρασίας. Στο ένα από τα δύο θερμοκήπια εγκαταστάθηκαν επιπλέον μικροελεγκτές οι οποίοι ήταν διασυνδεδεμένοι με ηλεκτροβάνες ελέγχου της άρδευσης. Η διαδικασία άρδευσης στο ένα θερμοκήπιο ελεγχόταν από τον καλλιεργητή και γινόταν δύο φορές την μέρα με διάρκεια περίπου δύο ώρες την κάθε φορά κατά τρόπο που βασίζεται στην εμπειρία του καλλιεργητή. Στο δεύτερο θερμοκήπιο η άρδευση ήταν ελεγχόμενη από το Α.Δ.Α. και βασιζόταν στις μετρήσεις που ελάμβανε από τους αισθητήρες υγρασίας εδάφους ενώ ήταν προγραμματισμένο να διατηρεί την υγρασία του εδάφους στο διάστημα από 50% έως 55%. Αν και το σύστημα λειτούργησε επιτυχώς για διάρκεια 2 μηνών, στην εικόνα 4.29 για λόγους ευκρίνειας παρουσιάζονται οι μετρήσεις 3 ημερών, οι οποίες ωστόσο είναι ποιοτικά ενδεικτικές. Όσον αφορά τη εμπειρική μέθοδο άρδευσης, παρατηρούμε απότομες μεταβάσεις σε ψηλές τιμές που αντιστοιχούν στον πλημμυρισμό του θερμοκηπίου. Η υγρασία του εδάφους μειώνεται σημαντικά μέσα στην ημέρα, μέχρι τη στιγμή που ποτίζεται πάλι και επανέρχεται απότομα σε υψηλά επίπεδα. Αυτός ο κύκλος διαδοχικών πλημμυρισμών και ξηρασίας μεταφράζεται σε κόστος για τον καλλιεργητή καθώς οδηγεί σε απώλεια σημαντικών ποσοτήτων υδάτινων πόρων (με αντίστοιχο κόστος άντλησης νερού) και επιπλέον επηρεάζει αρνητικά την ποιότητα της καλλιέργειας. Αντίθετα, στο θερμοκήπιο όπου η άρδευση ελέγχεται από το Α.Δ.Α. παρατηρούμε ότι η υγρασία του εδάφους παραμένει σχεδόν σταθερή καθώς το πότισμα των φυτών γίνεται ανά σύντομα και τακτά χρονικά διαστήματα. Εικόνα 4.29 Ποσοστά σχετικής υγρασίας εδάφους. Πάνω, με μαύρο χρώμα οι μετρήσεις από το έξυπνο σύστημα άρδευσης με χρήση Α.Δ.Α., ενώ κάτω, με κόκκινο χρώμα οι μετρήσεις από την εμπειρική μέθοδο άρδευσης. 129

130 Επίσης, στην εικόνα 4.30 παρατηρούμε ότι ο συνολικός χρόνος ποτίσματος του συστήματός μας ήταν περίπου ο μισός σε σχέση με την εμπειρική μέθοδο, κάτι που συνεπάγεται και αντίστοιχη εξοικονόμηση νερού. Στα επιπλέον οφέλη από την χρήση του συστήματός μας θα πρέπει να προσθέσουμε τις λιγότερες εργατοώρες που απαιτούνται από τον καλλιεργητή για την άρδευση καθώς αυτή μπορεί να πραγματοποιείται αυτόματα από το σύστημα ενώ επιτρέπει την απομακρυσμένη παρακολούθησή και τον έλεγχο μέσω αντίστοιχης web εφαρμογής. Εικόνα 4.30: Αθροιστική διάρκεια άρδευσης για τις αντίστοιχες 3 ημέρες της εικόνας 7. Η πάνω γραμμή αντιστοιχεί στην εμπειρική μέθοδο, ενώ η κάτω στο έξυπνο σύστημα ( περίπου 50% λιγότερος χρόνος). Συνοπτικά, το έξυπνο σύστημα άρδευσης εξοικονομεί νερό της τάξης του 50% σε σχέση με τις συμβατικές, εμπειρικές μεθόδους άρδευσης. Ταυτόχρονα, διατηρεί την υγρασία εδάφους σε ποσοστά αποκλίσεων 5%, σε αντίθεση με τις πολύ μεγαλύτερες αποκλίσεις που παρουσιάζουν οι συμβατικές, εμπειρικές μέθοδοι άρδευσης της τάξης του 12%. 130

131 Αθηναϊκή Ζυθοποιία Σε συνεργασία με την εταιρεία Αθηναϊκή Ζυθοποιία, μέλος του ομίλου Heineken, όπου μία από τις μονάδες παραγωγής και εμφιάλωσης μπύρας βρίσκεται στην Βιομηχανική Περιοχή Πάτρας, κάναμε μία πιλοτική εφαρμογή ενός συστήματος αυτοματισμών. Πιο συγκεκριμένα, το Σύστημα Προστασίας Ηλεκτρολογικών Πινάκων, που αναπτύχθηκε, έχει στόχο αρχικά την προστασία των συστημάτων των πινάκων από βλάβες, ενώ μπορεί να επεκταθεί ώστε να καλύπτει ένα πολύ ευρύ φάσμα αναγκών στην βιομηχανία. Το Σύστημα Προστασίας Ηλεκτρολογικών Πινάκων τοποθετείται στο εσωτερικό των πάνελ και παρακολουθεί μέσω των αισθητήρων του την κατάσταση των ηλεκτρολογικών - ηλεκτρονικών συστημάτων. Συγκεντρώνει πληροφορίες και ανάλογα με τον προγραμματισμό του ενεργεί προστατεύοντας τα συστήματα του πίνακα. Ειδοποιεί τους χειριστές - τεχνικούς για έγκαιρη επέμβαση και αποφυγή της βλάβης ώστε να μην διακοπεί η παραγωγική διαδικασία. Επίσης όλα τα υποσυστήματα συνδέονται ασύρματα με τον κεντρικό server, για καταγραφή ιστορικού και πρόσθετη ειδοποίηση στον υπεύθυνο διαχειριστή σε περίπτωση υψηλότερου κινδύνου. Με την εφαρμογή του Συστήματος Προστασίας Ηλεκτρολογικών Πινάκων πετυχαίνουμε: Βέλτιστη λειτουργία των συστημάτων του πίνακα. Έγκαιρη διάγνωση δυσλειτουργιών. Ελαχιστοποίηση βλαβών. Μειωμένη χρήση ανταλλακτικών. Ελαχιστοποίηση του χρόνου σταματήματος της παραγωγής από ηλεκτρολογικές και ηλεκτρονικές βλάβες. Μεγιστοποίηση του χρόνου ζωής του εξοπλισμού. Μείωση του κόστους αποκατάστασης βλαβών. Μείωση του κόστους συντήρησης του εξοπλισμού. Χαμηλότερο κόστος παραγωγής. Μείωση της περιβαλλοντικής επιβάρυνσης. Υπάρχει δυνατότητα επέκτασης του συστήματος ώστε να καταγράφει, να επεξεργάζεται και να δίνει εντολές για τη βέλτιστη λειτουργία των εγκαταστάσεων. Το σύστημα μπορεί να υποστηρίζει: Συνεχή καταγραφή των καταστάσεων λειτουργίας των βιομηχανικών εγκαταστάσεων, των υποσυστημάτων και των μηχανημάτων σε κεντρικό server. Επεξεργασία ποιοτικών δεδομένων, υπολογισμός δεικτών και αποστολή των αποτελεσμάτων σε επιλεγμένους χρήστες. (Αποστολή μέσω , sms, με χρήση εφαρμογών σε ipad, iphone, Android Tablet, Android Smartphone, Windows Tablet και Windows Phone) Ανάπτυξη δυναμικών σεναρίων που εξελίσσονται με βάση τις μελλοντικές ανάγκες. 131

132 Εντολές σε ψηφιακές και αναλογικές εξόδους για την υλοποίηση καταστάσεων στη λειτουργία του μηχανήματος. Ανάλυση του ενεργειακού προφίλ, επεξεργασία των δεδομένων, διαχείριση του εξοπλισμού με σκοπό την εξοικονόμηση ενέργειας. Η διαχείριση του συστήματος θα μπορεί να γίνεται σε περιβάλλον Windows, ios, Android και Linux. Περιγραφή του Συστήματος Σε κάθε πίνακα, τοποθετούνται ειδικοί αισθητήρες που συνδέονται με έναν ασύρματο πομπό. Όλοι οι πομποί των πινάκων επικοινωνούν μεταξύ τους και δημιουργούν ένα ασύρματο δίκτυο (κόμβων). Σε περίπτωση βλάβης κάποιου κόμβου δεν επηρεάζεται το δίκτυο αφού η επικοινωνία συνεχίζεται μέσω των γειτονικών κόμβων. Οι μετρήσεις από τους αισθητήρες καταχωρούνται σε έναν κεντρικό υπολογιστή που καταγράφει τα δεδομένα διατηρώντας ιστορικό. Το σύστημα αυτοελέγχεται και ειδοποιεί σε περίπτωση που ένας κόμβος δεν λαμβάνει μετρήσεις από τους αισθητήρες του ή έχει πρόβλημα στην τροφοδοσία του. Λήψη Σημάτων Κινδύνου Το Σύστημα Προστασίας Ηλεκτρολογικών Πινάκων λειτουργεί προστατεύοντας τα ηλεκτρολογικά συστήματα ενός πίνακα και ενημερώνει έγκαιρα στις παρακάτω περιπτώσεις: 1. Θερμοκρασία εκτός ορίων στο εσωτερικό μέρος του πίνακα (πρόκληση βλάβης στα ηλεκτρονικά μέρη) 2. Αυξημένη υγρασία στο εσωτερικό μέρος του πίνακα (κίνδυνος βραχυκυκλώματος) 3. Ύπαρξη νερού στο εσωτερικό του πίνακα (πιθανή διαρροή υγρών του στοιχείου ψύξης, υγροποίηση πάγου του κλιματιστικού, κλπ) 4. Διακοπή λειτουργίας του κλιματιστικού (πιθανή πτώση θερμικού, αυτ. ασφάλειας) 5. Βλάβη δυσλειτουργία του κλιματιστικού (ειδοποίηση από το εσωτερικό σύστημα ελέγχου της μονάδας κλιματισμού) 6. Σήματα ALARM από εξόδους του PLC. Ειδοποιήσεις - Ενέργειες Το σύστημα ελέγχου, λαμβάνοντας ένα από τα παραπάνω σήματα κινδύνου και ανάλογα με την επικινδυνότητα ειδοποιεί: ALARM 1: τον χειριστή του μηχανήματος (στην φορητή συσκευή ειδοποίησης του συστήματος τοποθετημένη στο χειριστήριο του μηχανήματος) 132

133 ALARM 2: ALARM 3: τον τεχνικό υπεύθυνο της βάρδιας (στην φορητή συσκευή ειδοποίησης του συστήματος και στο ασύρματο εσωτερικό τηλέφωνο βάρδιας) τον υπεύθυνο του τμήματος (με sms, ή τηλεφωνική κλήση στο εταιρικό κινητό) Σε περίπτωση υψηλής θερμοκρασίας απενεργοποιείται αυτόματα ο ηλεκτρολογικός πίνακας. Σε περίπτωση αυξημένης υγρασίας ενεργοποιείται αυτόματα το σύστημα αφύγρανσης. Κέντρο Ελέγχου Το παράθυρο Κέντρο Ελέγχου της εφαρμογής περιλαμβάνει την κάτοψη του συσκευαστηρίου (Εικόνα 4.31), στην οποία εμφανίζονται οι θέσεις των ηλεκτρολογικών πινάκων που παρακολουθούνται από το σύστημα ελέγχου. Το παράθυρο αυτό παρέχει στον χρήστη άμεση ενημέρωση για οποιοδήποτε σήμα κινδύνου ληφθεί από το σύστημα. Για όποιον πίνακα το σύστημα λάβει ένα σήμα κινδύνου εμφανίζεται δίπλα από τον συγκεκριμένο πίνακα ένα σήμα κινδύνου που αναβοσβήνει συνεχώς ειδοποιώντας ότι υπάρχει πρόβλημα. Επιλέγοντας ο χρήστης έναν πίνακα από την κάτοψη, εμφανίζονται οι μετρήσεις και τα σήματα από τους αισθητήρες που είναι εγκατεστημένοι στο εσωτερικό του πίνακα. Τα σήματα κινδύνου που μπορεί να ενεργοποιηθούν είναι τα εξής: 1) θερμοκρασία εκτός ορίων, 2) υγρασία εκτός ορίων, 3) ύπαρξη νερού στον πίνακα, 4) διακοπή ρεύματος κλιματιστικού, 5) ένδειξη βλάβης κλιματιστικού, 6) σήμα ALARM από PLC, 7) πρόβλημα τροφοδοσίας του συστήματος ελέγχου. Εικόνα 4.31: Κάτοψη Συσκευαστηρίου 133

134 Στατιστικά Στο παράθυρο με τα στατιστικά ο χρήστης μπορεί να δει όλες τις μετρήσεις του συστήματος και να εξετάσει αναλυτικά όποιο διάστημα επιθυμεί. Εδώ εμφανίζονται οι πίνακες που έχει τοποθετηθεί το Σύστημα Προστασίας Ηλεκτρολογικών Πινάκων. Για κάθε πίνακα εμφανίζεται η τελευταία μέτρηση θερμοκρασίας και υγρασίας από το εσωτερικό του (Εικόνα 4.32). Εικόνα 4.321: Οι τελευταίες μετρήσεις θερμοκρασίας και υγρασίας στους πίνακες. Για να δούμε το ιστορικό των μετρήσεων σε έναν πίνακα τον επιλέγουμε και στο κάτω μέρος της σελίδας εμφανίζονται σε γραφική παράσταση οι μετρήσεις του τελευταίου 24ώρου (Εικόνα 4.33). Εάν θέλουμε να δούμε τις μετρήσεις διαφορετικού χρονικού διαστήματος, αλλάζουμε τις τιμές στα πεδία που βρίσκονται πάνω από την γραφική παράσταση. Επίσης, επιλέγοντας με το ποντίκι ένα διάστημα από την γραφική παράσταση κάνει zoom και εμφανίζονται οι τιμές μόνο στο διάστημα αυτό. Εικόνα 4.33: Γραφική παράσταση της υγρασίας και της θερμοκρασίας ενός πίνακα για ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. 134