Monitorování obsazenosti inteligentní budovy v rámci IoT

3. 3. 2020

Tato práce se zabývá zajištěním konektivity pro komunikaci mezi technologiemi automatizace inteligentní budovy (IB) a vzdálenými cloudovými službami firmy IBM. Jako nástroj pro komunikaci mezi cloudovou technologií a budovou vybavenou sběrnicovou instalací je zde popsán návrh, vývoj a implementace softwarového (SW) nástroje, který funguje jako brána mezi těmito různými technologiemi tak, aby bylo možné přistupovat k jednotlivým modulům KNX instalace v reálném čase v rámci internetu věcí (IoT). Další část se zabývá implementací aplikace k monitorování přítomnosti osob v budově na základě přenášených dat z KNX instalace do cloudové služby IBM. Klíčovou součástí této práce je přenos dat za použití protokolu MQTT a ukládání dat do databáze typu CouchDB. Monitorovány jsou veličiny: koncentrace CO2 (ppm), relativní vlhkost vzduchu (%), teplota vzduchu (°C) a přítomnost osob (–). V závěru práce je proveden test fungování všech vyvinutých SW aplikací, rychlost přenosu dat a jsou porovnány dosažené výsledky.

Úvod

Automatizované chytré elektroinstalace byly ještě nedávno výsadou spíše objektů v terciárním sektoru (administrativní budovy, úřady, školy, nemocnice). Stále více lidí však chce využívat možnosti inteligentní instalace ve svých domovech. Na trhu je již mnoho firem zabývajících se chytrými instalacemi. Ceny takových systémů se stávají přijatelnějšími v poměru s vysokou úrovní komfortu a spolehlivosti. Jednou z motivací zákazníka k zakoupení technologií automatizace budovy je monitorování provozně-technických stavů budovy pro získání přehledu o dění v budově. Pomocí měření různých fyzikálních veličin lze rychle lokalizovat zapomenuté otevřené okno, neoprávněný vstup do budovy nebo obsazenost monitorovaných prostor budovy. K monitorování a ovládání provozně-technických stavů budovy je dnes čím dál více využíván IoT, který značně usnadňuje vzdálenou komunikaci s budovou odkudkoliv na světě. Jde o technologickou platformu, která je poměrně nová a v neustálém vývoji. Čím dál významnějšími firmami v oboru IoT jsou však nadnárodní společnosti jako Google, IBM, Amazon apod. Přicházejí se svými službami, které provozují na svých serverech, a ty nabízejí zákazníkům. Tyto služby jsou obecně označovány jako cloud computing (CC). Inteligentní budovy (IB) a IoT jsou dvě odlišné oblasti, které však spolu úzce souvisejí, jelikož jednou z nejdůležitějších vlastností implementovaných technologií v IB je vzájemná interakce v reálném čase. Interakce probíhají v technologickém systému a IoT tomu svou podstatou napomáhá.

IB – automatizovaná budova – se vyznačuje vysokým stupněm automatizace provozně-technických procesů, které v běžných domácnostech obsluhuje člověk. Jde zejména o řízení osvětlení, teploty vzduchu a vzduchotechniky, vybavení kuchyně, zabezpečovací techniku, ovládání dveří a oken, energetické hospodářství, řízení multimediální a spotřební elektroniky a mnoho dalšího. IB spojuje několik automatizovaných systémů a spotřebičů v rámci interoperability mezi použitými technologiemi s decentralizovaným, popř. centralizovaným řízením. Jedním z hlavních cílů je zvýšit požadovanou úroveň komfortu uživatele s úsporou nákladů na spotřebované energie. Samozřejmostí IB by měly být i možnosti dodatečné konfigurace funkcionality bez zbytečných zásahů do instalace, možnosti lokálního nastavení teplot v domě v závislosti na počasí, automatizace zahradní techniky, sdělování aktuálních hodnot a celkových informací uživateli např. na ovládacím displeji atd. V této práci byla pro automatizaci IB použita KNX technologie, jež splňuje všechny již uvedené požadavky.

IoT je síť vzájemně propojených zařízení, která si mohou vyměňovat informace a být vzájemně interaktivní v reálném čase. Každé z těchto zařízení musí být jednoznačně identifikovatelné a adresovatelné. Ke komunikaci se používají standardizované komunikační protokoly. Cílem je vytvoření autonomních systémů, které jsou schopny na základě získávaných dat ze zařízení zcela nezávisle provádět očekávané činnosti. V praxi to znamená, že čím více dat bude shromažďováno, tím lépe mohou být analyzována, což může být v dané oblasti užitečné. V článku o úvodu do IoT popisuje autor architekturu IoT jako model skládající se ze tří základních prvků. Do prvního bloku spadají samotné „věci“, což jsou všechna zařízení připojená k síti, ať už kabelem, či bezdrátově, která poskytují zcela nezávisle data. Druhý blok představuje síť, která funguje jako komunikační prostředek mezi samotnými věcmi a řídicím systémem. Do třetího bloku spadá zpracování dat, což může být cloud či vzdálený server, na kterém jsou data dále zpracovávána. Rozvoji IoT dnes nahrává zejména rychlý vývoj nových zařízení vhodných pro IoT a jejich stále klesající cena. Pro rok 2020 se odhaduje, že počet připojených IoT zařízení může přesahovat 30 miliard. Toto číslo se v různých zdrojích rozchází, jisté však je, že počty jdou do desítek miliard. To s sebou nese i problematiku adresace v internetu, protože adresy z adresního prostou IPv4 byly vyčerpány v roce 2011, ale s příchodem IPv6 by vyčerpání adres nemělo hrozit, protože v tomto adresním prostoru je 2 128 adres, což je obrovské číslo – pro představu je to asi 66 trilionů IP adres na každý centimetr čtvereční zemského povrchu včetně oceánů. IoT nachází uplatnění v mnoha odvětvích lidské činnosti. Mezi aktuální oblasti aplikací IoT lze zahrnout platformy Smart Cities (SC) a Smart Grids (SG). Sbíraná data je nutné efektivně přenášet. Jde-li o bezdrátové přenosy dat, mezi nejdůležitější parametry patří zejména dosah, energetická náročnost, bezpečnost přenosu, formát a náročnost zpracování dat a rychlost přenosu. Konkurence v tomto segmentu je poměrně velká. Pro přenos dat v IoT se nabízí několik komunikačních protokolů, např. MQTT, CoAP, XMPP.

V této práci je využit protokol MQTT. Téma CC v odborném článku „Cloud of Things: Integrating IoT and CC and the issues involved“ popisují autoři Mohammad Aazam a kolektiv. Jde o rozšiřující se trend v IT technologiích, který našel uplatnění i v oblasti IoT. Charakteristické pro CC je poskytování služeb, softwaru a hardwaru serverů, které jsou uživateli dostupné prostřednictvím internetu odkudkoliv na světě. Poskytovatel cloudových technologií umožní uživateli používat jeho výpočetní výkon, datová úložiště a nabízený software. Pro uživatele jsou tyto služby lákavé tím, že nemusí mít znalosti o vnitřním fungování propůjčeného hardwaru a softwaru. Zároveň nabízí zabezpečení dat na vysoké úrovni nebo také kvalitní a uživatelsky přívětivé webové rozhraní. V závislosti na využití služeb lze CC rozdělit do skupin: Infrastructure as a Service (IaaS), SaaS – Software as a service, PaaS – Platform as a service, a NaaS – Network as a Service. Základní myšlenkou CC je přesunutí aplikační logiky na vzdálené servery. Jednotlivá zařízení v IB disponující připojením k internetu mohou být připojena přímo ke cloudu. Zde jsou sbírána a zpracovávána přijatá data. Na základě vyhodnocených dat dochází ke zpětné interakci s přístroji v IB. Často je zapotřebí připojit do systému zařízení, které nedisponuje připojením k internetu. K tomu lze využít bránu (gateway), která k internetu připojená je. Tato brána nemusí zprostředkovávat komunikaci pouze jednomu zařízení. Cloudové služby často nabízejí i své aplikace pro vizualizaci zpracovávaných dat a jejich ukládání do databáze. Zde jde o obrovské množství dat, která mohou sloužit dalším složitým výpočtům, např. při strojovém učení. Mezi přední poskytovatele těchto cloudových technologií patří společnost IBM, která mimo jiné nabízí službu IBM Watson IoT, nebo Amazon se svými Amazon Web Services.

Automatizace budov – KNX technologie

Pro automatizaci IB byla v dále popsaných experimentech použita KNX technologie, jež je celosvětovým standardem v oblasti elektroinstalace IB a jejich automatizace. Jde o decentralizované řešení. KNX technologie zajišťuje vzájemné propojení KNX modulů pomocí komunikačního média Twisted pair (TP). Použitá KNX zařízení, jež byla implementována v laboratorní místnosti EB312 v souvislosti s navrženými experimenty, jsou následující: senzor CO 2 , teploty a relativní vlhkosti MTN6005-0001, senzor pohybu MTN631719, sběrnicová tlačítka MTN6172 a MTN6171 k ovládání osvětlení a vypínání (odpojení) zásuvek. Dále jsou v rozváděči na chodbě umístěny: spínací akční člen MTN 649204 (k ovládání vypínání a zapínání zásuvek) a stmívací akční člen brána KNX/DALI MTN680191 (k ovládání osvětlení). Pro zajištění konektivity mezi KNX technologií a internetem byl použit KNX/IP router REG-K – MTN680329. Každý přístroj v KNX instalaci má jednoznačnou individuální adresu a spolu s jinými přístroji tvoří pomocí skupinové adresy funkční blok. Jako celek byly tyto KNX komponenty parametrizovány do funkčního celku v konfiguračním softwaru ETS5, jejž nabízí asociace KNX

Posouzení kvality vnitřního prostředí v laboratoři EB312 v souvislosti s obsazeností monitorovaných prostor

V této kapitole je popsán vliv přítomnosti osob na kvalitu vnitřního prostředí v monitorované učebně FEI EB312. Bylo zjištěno, že lidé v místnosti ovlivňují nejen množství CO2, ale i relativní vlhkost a teplotu. Vzorem pro porovnání měřených hodnot se skutečnou obsazeností učebny FEI EB312 je pravidelný rozvrh výuky a některé další reálně zaznamenané aktivity v učebně. 

Vliv počtu osob na množství koncentrace CO2 ve vzduchu

K určení obsazenosti místnosti byl primárně zvolen senzor přítomnosti a dále senzor měření koncentrace CO2. Sledováním dat z obou senzorů bylo možné rozeznat, zda je v místnosti někdo přítomen. Senzor přítomnosti je velmi citlivý a reaguje na jakýkoliv pohyb. Při monitorování pouze tímto senzorem by mohl nastat problém, kdyby zde daná osoba setrvala zcela nehnutě, což se v praxi stává, ovšem při pozorování přirozeného chování osob, které v laboratoři seděly a pracovaly na PC, šlo řádově o minuty, než došlo k přirozenému pohybu (pohyb počítačovou myší, pohyb hlavy, protažení těla atd.). Pro eliminování těchto nepřesností byla monitorována hladina CO2. Zdrojem vzrůstající koncentrace CO2 v budově je za běžných podmínek v testovaném prostředí člověk. Je-li tedy v monitorované místnosti někdo přítomen, hladina CO2 okamžitě začne růst až do doby, kdy je pro přítomné osoby hladina CO2 ještě únosná. V praxi to znamená, že hladina CO2 roste po určitou mez, kdy je osoba donucena vlivem špatného, vydýchaného vzduchu místnost vyvětrat. Během větrání množství CO2 v místnosti prudce klesá až do ustáleného stavu. Během monitorování bylo sledováno, jakým trendem se pohybuje hladina CO2, jestliže místnost opustily všechny osoby, aniž by prostor vyvětraly. Vlivem stavební konstrukce budovy se koncentrace CO2 permanentně rozptylovala. Rychlost nárůstu množství CO2 je přímo závislá na množství osob v místnosti, na jejich tělesné aktivitě a kondici. Kdyby byla monitorována např. posilovna, byly by výsledky při stejném počtu osob rozdílné, jelikož člověk, který vyvíjí nadměrnou fyzickou aktivitu, spotřebovává více kyslíku a produkuje více oxidu uhličitého. 

Celý článek včetně grafů, odkazů a literatury můžete najít na www.odbornecasopisy.cz


Scroll to Top