ΔΙΜΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ
Μελέτη, σχεδίαση και υλοποίηση συστήματος αυτοματισμού με
χρήση μικροελεγκτή και ασύρματου δικτύου αισθητήρων
Copyright Statement
…………………….
Αθανάσιος Ε. Τασόγλου
Διπλωματούχος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Μηχανικός Υπολογιστών Α.Π.Θ
…………………….
Γεώργιος Κ. Τσιμπλίδης
Διπλωματούχος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Μηχανικός Υπολογιστών Α.Π.Θ
Copyright © Αθανάσιος Ε. Τασόγλου, 2010
Με επιφύλαξη παντός δικαιώματος. All rights reserved.
Copyright © Γεώργιος Κ. Τσιμπλίδης, 2010
Με επιφύλαξη παντός δικαιώματος. All rights reserved.
Απαγορεύεται η αντιγραφή, αποθήκευση και διανομή της παρούσας εργασίας, εξ ολοκλήρου ή
τμήματος αυτής, για εμπορικό σκοπό. Επιτρέπεται η ανατύπωση, αποθήκευση και διανομή για
σκοπό μη κερδοσκοπικό, εκπαιδευτικής ή ερευνητικής φύσης, υπό την προϋπόθεση να
αναφέρεται η πηγή προέλευσης και να διατηρείται το παρόν μήνυμα. Ερωτήματα που αφορούν
τη χρήση της εργασίας για κερδοσκοπικό σκοπό πρέπει να απευθύνονται προς τους
συγγραφείς.
Οι απόψεις και τα συμπεράσματα που περιέχονται σε αυτό το έγγραφο εκφράζουν τους
συγγραφείς και δεν πρέπει να ερμηνευθεί ότι αντιπροσωπεύουν τις επίσημες θέσεις του
Αριστοτέλειου Πολυτεχνείου Θεσσαλονίκης.
Επικοινωνία: Αθανάσιος Ε. Τασόγλου
[email protected]
Γεώργιος Κ. Τσιμπλίδης
[email protected]
i
ii
Περίληψη
Στην παρούσα διπλωματική εργασία, μελετήθηκε, σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε ένα
σύστημα αυτοματισμού με χρήση μικροελεγκτή και ασύρματου δικτύου αισθητήρων.
Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων και στο πρωτόκολλο IEEE
802.15.4 Zigbee. Για την μελέτη των παραπάνω σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε ένα σύστημα
οικιακού αυτοματισμού που εκτός της αύξησης των ανέσεων του τελικού χρήστη, δίνει
έμφαση στην ενσωμάτωση ενεργειακής συνείδησης στην κατοικία, με τελικό στόχο την
εξοικονόμηση ενέργειας.
Ως κεντρική μονάδα ελέγχου του συστήματος χρησιμοποιήθηκε μικροελεγκτή. Για την
αναγνώριση του περιβάλλοντος αναπτύχτηκαν ασύρματοι κόμβοι αισθητήρων των οποίων τα
δεδομένα αποτελούν είσοδο του συστήματος. Για τον έλεγχο των ηλεκτρικών φορτίων και
συσκευών αναπτύχτηκαν ασύρματοι κόμβοι ενεργοποιητών οι οποίοι υλοποιούσαν τις εξόδους
του συστήματος. Η διασύνδεση της μονάδας ελέγχου και των ασύρματων κόμβων έγινε με την
βοήθεια του πρωτοκόλλου Zigbee. Η επίβλεψη και η διαχείριση του συστήματος
πραγματοποιείται με σύστημα οθόνης και πληκτρολογίου. Το σύνολο των επιμέρους στοιχείων
συνέβαλλε στην δημιουργία ενός πλήρως ενοποιημένου συστήματος.
Με το πέρας της υλοποίησης, το σύστημα δοκιμάστηκε σε πραγματικές συνθήκες. Με
αυτόν τον τρόπο, δοκιμάστηκαν στην πράξη η αξιοπιστία και η ευρωστία του ασύρματου
δικτύου αισθητήρων και του πρωτοκόλλου Zigbee. Μέσω πειραματικών μετρήσεων,
καταγράφτηκαν τα ποσοστά εξοικονόμησης ενέργειας που οφείλονταν στην εφαρμογή του
συστήματος στο οικιακό περιβάλλον.
Λέξεις κλειδιά: Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων(WSN), Zigbee, IEEE
802.15.4, Οικιακός Αυτοματισμός, Κτιριακός Αυτοματισμός, Εξοικονόμηση
Ενέργειας, Μικροελεγκτή, Έξυπνο Σπίτι, Πράσινο Σπίτι
iii
iv
Abstract
The main aim of the current diploma thesis is the study, the design and the
implementation of an automated system with use of a microcontroller and a wireless sensor
network (WSN). The wireless sensor networks and the IEEE 802.15.4 Zigbee protocol were in
the center of interest. For further study of the above mentioned, a home automation system was
designed and developed. Home automation not only provides comfort but also provides a mean
of saving and conserving energy.
A microcontroller was used as the main control unit. On the one hand, wireless sensor
nodes were responsible for sensing the environment and providing the inputs for the control
system. On the other hand, wireless actuator nodes were controlling the output of the system.
The interconnection of the main control unit and the wireless nodes was implemented through
the Zigbee technology and protocol. The system was monitored and supervised with the use of
an LCD monitor and a keypad. The final result was a fully integrated system.
Finally, the system was tested in real world conditions to study the reliability and the
robust of wireless sensor networks and the Zigbee protocol. The energy savings percentages of
the home automation were determined through experimental measurements.
Keywords: Wireless Sensor Networks (WSN), Zigbee, IEEE 802.15.4, Home
Automation, Domotics, Building Automation, Energy Saving, Microcontroller,
Smart Home, Green Home
v
vi
Περιεχόμενα
Περιεχόμενα
ΛΊΣΤΑ ΣΧΗΜΆΤΩΝ.................................................................................................................................. IX
ΑΚΡΩΝΎΜΙΑ ............................................................................................................................................. X
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ................................................................................................................. 1
ΕΙΣΑΓΩΓΉ................................................................................................................................................. 1
1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ..................................................................................................................................... 1
1.2 ΣΤΟΧΟΙ......................................................................................................................................... 4
1.3 ΠΡΟΣΔΟΚΙΕΣ ................................................................................................................................ 4
1.4 ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΟΙ ................................................................................................................................ 4
1.5 ΔΟΜΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ................................................................................................................ 5
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ................................................................................................................. 7
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΉ ΑΝΑΣΚΌΠΗΣΗ ............................................................................................................. 7
2.1 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ .................................................................................................... 7
2.1.1 Βασικά Στοιχειά Συστήματος Αυτοματισμού ................................................................................. 7
2.2 ΟΙΚΙΑΚΟΣ ΚΑΙ ΚΤΙΡΙΑΚΟΣ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΣ ................................................................................ 8
2.2.1 Τι είναι Οικιακός και Κτιριακός Αυτοματισμός ............................................................................. 8
2.2.2 Οικιακός Αυτοματισμός .................................................................................................................. 9
2.2.3 Συστατικά Στοιχεία του Συστήματος ............................................................................................ 11
2.2.4 Πρωτόκολλα Οικιακού Αυτοματισμού ......................................................................................... 13
2.3 ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΜΟΝΑΔΑ ΕΛΕΓΧΟΥ .................................................................................................. 15
2.3.1 Μικροελεγκτής .............................................................................................................................. 18
2.4 ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ ............................................................................................. 20
2.4.1 Ορισμός ......................................................................................................................................... 20
2.4.2 Βασικές Κατηγορίες Ασύρματων Δικτύων Αισθητήρων ............................................................. 21
2.4.3 Βασικά Αρχιτεκτονικά Στοιχεία .................................................................................................... 22
2.5 IEEE 802.15.4 : ZIGBEE ............................................................................................................. 28
2.5.1 Εισαγωγή στα Χαρακτηριστικά του IEEE 802.15.4 : Zigbee ....................................................... 30
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ............................................................................................................... 37
ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΊΑ ...................................................................................................................................... 37
3.1 ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ.............................................................................................................. 37
3.1.1 Δομή Συστήματος Οικιακού Αυτοματισμού ................................................................................. 38
3.1.2 Κεντρική Μονάδα Ελέγχου ........................................................................................................... 38
3.1.3 Δίκτυο – Πρωτόκολλο Επικοινωνίας ............................................................................................ 40
3.1.4 ZigBee Transceivers ...................................................................................................................... 41
3.2 ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ........................................................................................................... 44
3.2.1 Τεχνικά Χαρακτηριστικά .............................................................................................................. 44
vii
Περιεχόμενα
3.2.2 Προδιαγραφές ................................................................................................................................47
3.2.3 Δομή και Λειτουργία Συστήματος .................................................................................................48
3.3 ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ............................................................................................................................... 51
3.3.1 Κεντρική Μονάδα Ελέγχου ...........................................................................................................52
3.3.2 Αισθητήρες/Ενεργοποιητές............................................................................................................62
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ............................................................................................................... 71
ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΆ ΑΠΟΤΕΛΈΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΉΤΗΣΗ ............................................................................... 71
4.1 ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ......................................................................................................... 71
4.1.1 Κεντρική Μονάδα Ελέγχου ...........................................................................................................71
4.1.2 Αισθητήρες – Ενεργοποιητές .........................................................................................................71
4.1.3 Δίκτυο – Πρωτόκολλο Επικοινωνίας .............................................................................................73
4.2 ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ...................................................................................................... 73
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ............................................................................................................... 75
ΣΥΜΠΕΡΆΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΠΡΟΤΆΣΕΙΣ ........................................................................................................ 75
5.1 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ........................................................................................................................ 75
5.2 ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ................................................................................................................................. 77
5.2.1 Προτάσεις για περαιτέρω ανάπτυξη ..............................................................................................77
5.2.2 Προτάσεις για εφαρμογές ..............................................................................................................78
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΊΑ........................................................................................................................................ 79
ΠΑΡΑΡΤΉΜΑΤΑ ...................................................................................................................................... 81
ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ................................................................................................................................. 81
Datasheets ...............................................................................................................................................81
ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β ................................................................................................................................. 94
Οδηγίες Χρήσης......................................................................................................................................94
ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ ................................................................................................................................. 97
Λίστα Υλικών .........................................................................................................................................97
ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Δ ................................................................................................................................. 99
Φωτογραφιες του συστηματος ................................................................................................................99
viii
Λίστα Σχημάτων
Λίστα Σχημάτων
1.1
1.2
1.3
1.4
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
2.11
2.12
2.13
2.14
2.15
2.16
3.0
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
3.11
3.12
3.13
3.14
3.15
3.16
3.17
3.18
3.19
3.20
3.21
3.22
4.1
4.2
4.3
5.1
5.2
5.3
Τυπικό μέγεθος ασύρματου αισθητήρα
Στοίβα πρωτοκόλλου Zigbee
Ένα πλήρως ενοποιημένο σύστημα
Σύστημα Οικιακού Αυτοματισμού
Δομή Συστήματος Ελέγχου
Οικιακός Αυτοματισμός
Τυπικό Ασύρματο Δίκτυο Αισθητήρων Multihop Single Sink
Ασύρματο Δίκτυο Αισθητήρων τύπου C1WSN
Ασύρματο Δίκτυο Αισθητήρων τύπου C2WSN
Αρχιτεκτονική Ασύρματου Δικτύου Αισθητήρων τύπου
Τυπική Δομή Υλικού και Λογισμικού Κόμβου Αισθητήρα
Πίνακας με Πρωτόκολλα Στοίβας
Πίνακας με Πρωτόκολλα Χαμηλού Επιπέδου
Διάγραμμα Εφαρμογών Ασύρματων Τεχνολογιών
Διάγραμμα Ρυθμού Μετάδοσης – Εμβέλειας Ασύρματων Τεχνολογιών
Πίνακας Χαρακτηριστικών Φυσικού Επιπέδου Προτύπου ΙΕΕΕ 802.15.4
Τοπολογίες Δικτύου Zigbee
Χαρακτηριστικό Πλαίσιο
Συνύπαρξη Καναλιών στα 2.4 GHz
Συνύπαρξη και Παρεμβολή στα 2.4 GHz
Κατά προσέγγιση κύκλος ζωής ενός project
Δομή Συστήματος Οικιακού Αυτοματισμού
Πίνακας Σύγκρισης Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων
Πίνακας Σύγκρισης Δικτύων
Πίνακας Χαρακτηριστικών Zigbee
Γράφος ροής της κεντρικής Μονάδας ελέγχου
Δομή τυπικού κόμβου αισθητήρα
Δομή του συστήματος
Κυκλωματικό Διάγραμμα Μικροελεγκτή
Κυκλωματικό Διάγραμμα Εξωτερικής Τροφοδοσίας
Κυκλωματικό Διάγραμμα Μονάδας USB
Κυκλωματικό Διάγραμμα Ρυθμιστή Τάσης στα 3.3V
Κυκλωματικό Διάγραμμα Ταλαντωτών
Κυκλωματικό Διάγραμμα Οθόνης
Περιβάλλον Προγράμματος X-CTU – Ρυθμίσεις Υπολογιστή
Περιβάλλον Προγράμματος X-CTU – Range Test
Περιβάλλον Προγράμματος X-CTU – Terminal
Περιβάλλον Προγράμματος X-CTU – Modem Configuration
Κυκλωματικό Διάγραμμα Αισθητήρα Θερμοκρασίας
Κυκλωματικό Διάγραμμα Αισθητήρα Κίνησης και Φωτεινότητας
Η θεωρία του Dimming
Κυκλωματικό Διάγραμμα Κυκλώματος Dimming
Κυκλωματικό Διάγραμμα Relay Στερεάς Κατάστασης
Διάγραμμα Διάρκειας Ζωής Μπαταρίας
Πίνακας Πειραματικών Μετρήσεων Δικτύου
Πίνακας Εξοικονόμησης Ενέργειας με Dimming
Υπέρ και Κατά των Ασυρμάτων Δικτύων
Προνόμια Οικιακού Αυτοματισμού
Προκλήσεις Συστημάτων Οικιακού Αυτοματισμού
ix
Ακρωνύμια
Ακρωνύμια
ADC
AES
ASIC
BPSK
CISC
CMOS
DDC
EEPROM
FFD
FPGA
HVAC
IC
ISM
MAC
NRE
O-QPSK
PAN
PHY
PIR
PLC
PLD
QPSK
RF
RFD
RISC
SNR
SPI
UART
WLAN
WPAN
WSN
Analog to Digital Converter
Advanced Encryption Standard
Application-specific Integrated Circuit
Binary Phase-Shift Keying
Complex Instruction Set Computing
Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
Direct Digital Controller
Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory
Full Function Device
Field-programmable Gate Array
Heating, Ventilating, and Air Conditioning
Integrated Circuit
Industrial, Scientific and Medical
Medium Access Control
Non Reverse Engineering
Offset Quadrature Phase-Shift Keying
Personal Area Network
Physical Layer
Passive Infrared Sensor
Programmable Logic Controller
Programmable Logic Device
Quadrature Phase-Shift Keying
Radio Frequency
Reduced Function Device
Reduced Instruction Set Computing
Signal to Noise Ratio
Serial Peripheral Interface Bus
Universal Asynchronous Receiver/Transmitter
Wireless Local Area Network
Wireless Personal Area Network
Wireless Sensor Network
x
(Η σελίδα αυτή αφέθηκε κενή σκοπίμως)
Κεφάλαιο 1 - Εισαγωγή
Κεφάλαιο 1
Εισαγωγή
1.1 Εισαγωγή
Οι ασύρματες κινητές επικοινωνίες άλλαξαν δραστικά την καθημερινότητα του μέσου
πολίτη, αποτέλεσαν παγκοσμίως την ατμομηχανή της ανάπτυξης και της αγοράς εργασίας τις
τελευταίες δεκαετίες και έθεσαν ανεξίτηλα τη σφραγίδα τους στην ταυτότητα της σύγχρονης
εποχής. Η ποιοτική, αδιάλειπτη διασύνδεση και επικοινωνία, οποτεδήποτε και οπουδήποτε,
αποτελεί πλέον αδιαπραγμάτευτη απαίτηση κάθε συνδρομητή εφοδιασμένου με κινητές
τερματικές συσκευές.
Ως άμεση συνέπεια αυτής της κατάστασης μια νέα πραγματικότητα διαμορφώνεται
σήμερα μέσα από την ανάπτυξη των Ασύρματων Δικτύων Αισθητήρων (WSN) είτε
λειτουργούν αυτοτελώς, είτε διασυνδεδεμένα στα μεγαλύτερα δίκτυα τηλεπικοινωνιών ή στο
διαδίκτυο. Τα δίκτυα αυτά αποτελούνται από μεγάλο αριθμό μικρών ηλεκτρονικών διατάξεων
(αισθητήρων), κινητών ή μη, που αποστέλλουν σε μια κεντρική μονάδα πληθώρα δεδομένων
προς επεξεργασία και λήψη αποφάσεων.
Η ταχύτατη ανάπτυξη της μικροηλεκτρονικής και των υλικών επέτρεψε την κατασκευή
πολύ μικρών αισθητήρων, οι οποίοι έχουν την ικανότητα να μετρούν και να καταγράφουν μια
κυριολεκτικά ατέλειωτη σειρά από περιβαλλοντολογικά ή βιολογικά μεγέθη, όπως τη
θερμοκρασία, την ατμοσφαιρική πίεση, την υγρασία, τη φωτεινότητα, τη στάθμη υδάτων, την
ωρίμανση καρπών, την ανίχνευση χημικών στοιχείων, την πίεση αίματος, τους σφυγμούς
καρδιάς, την κίνηση αντικειμένων και ανθρώπων και πολλές ακόμα παραμέτρους που
προστίθενται διαρκώς στον παραπάνω κατάλογο. Αξιοσημείωτο είναι ότι σε μία διάταξη ίση
με ένα νόμισμα 2 ευρώ μπορούν να συμπεριληφθούν πολλά από τα παραπάνω αισθητήρια και
να γίνεται συγχρόνως καταμέτρηση διαφόρων μεγεθών.
Σχήμα 1.1 Τυπικό μέγεθος ασύρματου αισθητήρα.
1
Κεφάλαιο 1 - Εισαγωγή
Πρόκειται για μια πολύ σημαντική τεχνολογία που θα γνωρίσει μεγάλη ανταπόκριση
από πληθώρα εφαρμογών τα επόμενα χρόνια. Οι ερευνητές βλέπουν τα ασύρματα δίκτυα
αισθητήρων ως ένα ‘γρήγορα αναδυόμενο πεδίο δικτυακών συστημάτων χαμηλής κατανάλωσης
ισχύος με ελάχιστη υπολογιστική ισχύ και μνήμη, που ενσωματώνονται σε μικροσκοπικούς
κόμβους και μεγάλων συνενωμένων δικτύων για ανάλυση και ανάγνωση του περιβάλλοντος’.
Ένα δίκτυο αισθητήρων αποτελείται από τέσσερα βασικά στοιχεία: τους
κόμβους(nodes) που μπορούν να είναι είτε αισθητήρες ή ενεργοποιητές, τα σημεία
αναφοράς(sinks), τις πύλες (gateways) και το δίκτυο διασύνδεσης. Στις αρχές του 2000,
ξεκίνησαν έρευνες για την εύρεση τρόπου προτυποποίησης του δικτύου. Το πρωτόκολλο WiFi (IEEE 802.11b) απορρίφτηκε αμέσως λόγω της πολυπλοκότητας του και της χρήσης
μεγαλύτερου εύρους ζώνης απ' ότι χρειάζονταν οι τυπικοί αισθητήρες. Τα συστήματα
υπερύθρων απαιτούν οπτική επαφή που δεν είναι πάντοτε εφικτή. Τέλος, το Bluetooth (IEEE
802.15.1) έμοιαζε να είναι μια πιθανή επιλογή, αλλά σύντομα προέκυψε πολύπλοκη και
ακριβή. Έτσι, άνοιξε η πόρτα για ένα νέο πρότυπο, τo IEEE 802.15.4, μαζί με το Zigbee.
.
Σχήμα 1.2 Στοίβα πρωτοκόλλου Zigbee
Ο πυρήνας του συστήματος Zigbee αποτελείται από έναν RF πομποδέκτη και την
στοίβα πρωτοκόλλου όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.2. Το φυσικό επίπεδο (PHY) του προτύπου
ορίζει 27 κανάλια half-duplex κατά μήκος των συχνοτήτων 868, 915 MHz και 2.4 GHz (ISM
Band). Η κατανάλωση ενέργειας αποτελεί πρωταρχική μέριμνα. Ωστόσο, για να για να
επιτευχτεί μεγαλύτερος χρόνος ζωής μπαταρίας, η κατανάλωση ενέργειας πρέπει να
κυμαίνεται συνεχώς σε πολύ χαμηλά επίπεδα είτε μα χαμηλούς ρυθμούς μετάδοσης είτε με
μικρό κύκλο λειτουργίας (duty-cycle). Αυτό σημαίνει ότι οι συμβατές συσκευές παραμένουν
ενεργές για πολύ μικρό χρονικό διάστημα. Το πρότυπο υποστηρίζει κύκλους λειτουργίας της
τάξεως του 1%. Γι’ αυτό το λόγο , οι διαθέσιμοι ρυθμοί μετάδοσης των 20, 40, 250 kbps είναι
αρκετά υψηλοί σε σχέση με τις απαιτήσεις που ορίζει η τεχνολογία των ασυρμάτων δικτύων
αισθητήρων. Για να ξεπεραστεί η πεπερασμένη εμβέλεια εκπομπής, απαιτούνται τοπολογίες
πολλαπλών αναπηδήσεων και αυτό-οργανωσης (self-organizing). Το επίπεδο MAC του
2
Κεφάλαιο 1 - Εισαγωγή
προτύπου ορίζει τρεις διαφορετικές τοπολογίες: star, mesh και cluster tree. Αυτές οι
τοπολογίες υλοποιούνται με δυο ειδών συσκευές: τις συσκευές πλήρους λειτουργίας (FFD) και
τις συσκευές περιορισμένης λειτουργίας (RFD) με δυο διαφορετικές μεθόδους λειτουργίες, τις
μεθόδους Beaconed και Unbeaconed. Η ασφάλεια και η ακεραιότητα των δεδομένων
αποτελούν βασικά προνόμια της τεχνολογίας Zigbee. Το Zigbee ενδυναμώνει το μοντέλο
ασφάλειας που ορίζει το υπό-επίπεδο MAC του προτύπου IEEE 802.15.4 το οποίο ορίζει
υπηρεσίες ασφαλείας έλεγχου πρόσβασης, κρυπτογράφησης δεδομένων (128-bit AES) και
ακεραιότητας πλαισίου. Οι παραπάνω τεχνολογίες εφαρμόζονται επιτυχώς σε πληθώρα
εφαρμογών όπως οι βιομηχανικές εφαρμογές, ηλεκτρονικά καθημερινής χρήσης, περιφερειακά
υπολογιστή και γραφείου, υγειονομικές εφαρμογές, οικιακό και κτιριακό αυτοματισμό.
Σχήμα 1.3 Ένα πλήρως ενοποιημένο σύστημα
Με την εισαγωγή του Zigbee στον οικιακό αυτοματισμό, μπόρεσαν να ξεπεραστούν
βασικοί περιορισμοί στην μέχρι τώρα σχεδίαση και υλοποίηση συστημάτων και εισήρθαν νέα,
υψηλής τεχνολογίας, ευέλικτα εμπορικά προϊόντα οικιακού αυτοματισμού. Η τεχνολογία
Zigbee παρέχει μια οικονομική και προτυποποιημένη προσέγγιση, που επιτρέπει την ανάπτυξη
εύρωστων, απλών αλλά και οικονομικών λύσεων που παρέχουν άνεση, ασφάλεια,
αποτελεσματικότητα και εξοικονόμηση ενέργειας στον μέσο ιδιοκτήτη. Με τον όρο
συστήματα οικιακού αυτοματισμού περιγράφονται ηλεκτρικές εγκαταστάσεις που
τοποθετούνται σε σπίτια με σκοπό να προσφέρουν άνεση, ασφάλεια και εξοικονόμηση
ενέργειας κα χρημάτων στους ενοίκους. Οι έξυπνες εγκαταστάσεις αλληλεπιδρούν με το
περιβάλλον χρησιμοποιώντας ένα μέσο επικοινωνίας με την βοήθεια του οποίου
ανταλλάσσουν δεδομένα προκειμένου να διεξάγουν κάποιες λειτουργίες όπως να
ενεργοποιήσουν το φωτισμό ενός χώρου ή να ρυθμίσουν τη θερμοκρασία. Εκτός από τον
έλεγχο ηλεκτρολογικών και μηχανολογικών εγκαταστάσεων στις λειτουργίες του συστήματος
περιλαμβάνονται και ο έλεγχος οικιακών συσκευών και συσκευών πολυμέσων δημιουργώντας
ένα ενοποιημένο σύστημα. Τα πλεονεκτήματα που προκύπτουν από τον αποτελεσματικό
συντονισμό των συστημάτων αφορούν την διευκόλυνση της καθημερινότητας των χρηστών. Η
βελτίωση της ποιότητας ζωής συνοδεύεται από εξοικονόμηση ενέργειας και χρημάτων.
3
Κεφάλαιο 1 - Εισαγωγή
Σχήμα 1.4 Σύστημα Οικιακού Αυτοματισμού
1.2 Στόχοι
Κύριος στόχος της διπλωματικής αυτής είναι η μελέτη, η σχεδίαση και η υλοποίηση
ενός συστήματος αυτοματισμού το οποίο θα βασιζόταν σε μικροελεγκτή και σε ασύρματο
δίκτυο αισθητήρων. Στόχος είναι η ανακάλυψη των δυνατοτήτων των ασυρμάτων δικτύων
αισθητήρων με την εφαρμογή τους σε ένα σύστημα οικιακού αυτοματισμού. Τέλος, ένας
στόχος ήταν η μετάβαση από τη θεωρία στην πράξη και η παρατήρηση του ασυρμάτου
δικτύου αισθητήρων.
1.3 Προσδοκίες
Οι προσδοκίες αυτής της διπλωματικής περιλαμβάνουν την επιβεβαίωση της ευρωστίας
και της αξιοπιστίας των ασυρμάτων δικτύων αισθητήρων που βασίστηκε στο πρότυπο IEEE
802.15.4 και στο πρωτόκολλο Zigbee. Όσον αφορά τον οικιακό αυτοματισμό, κύριο μέλημα
είναι η εξοικονόμηση ενέργειας αλλά και η άνεση.
1.4 Περιορισμοί
Η ανάπτυξη ενός σύνθετου συστήματος όπως αυτό που υλοποιήθηκε συνοδευόταν από
πολλούς περιορισμούς που αφορούν την ανάπτυξη και την υλοποίηση. Πιο συγκεκριμένα οι
περιορισμοί της παρούσας διπλωματικής ήταν οι εξής:
•
Το μέγεθος αυτού του project απαιτεί μεγάλο χρονικό διάστημα για την μελέτη, την
σχεδίαση και την υλοποίηση από δυο άτομα μόνο.
4
Κεφάλαιο 1 - Εισαγωγή
•
Η εξαγωγή συμπερασμάτων βασίστηκε σε σχετικά μικρό χρονικό διάστημα
λειτουργίας του συστήματος
•
Ο διαθέσιμος προϋπολογισμός περιόρισε την υλοποίηση του συστήματος μόνο σε
συγκεκριμένες λειτουργίες και με εξαρτήματα χαμηλού κόστους και περιορισμένων
λειτουργιών.
•
Ο ορισμός του συστήματος προκαθορίστηκε από την έναρξη του Project και έτσι η
ανάπτυξη των εφαρμογών περιορίστηκε στις προκαθορισμένες λειτουργίες.
•
Η περιορισμένη ελληνική αγορά κατέστησε δύσκολη την πρόσβαση σε ηλεκτρονικά
εξαρτήματα.
•
Δεν έγινε εφαρμογή του συστήματος σε πραγματικό περιβάλλον.
1.5 Δομή Διπλωματικής
Η διπλωματική χωρίζεται σε πέντε κεφάλαια. Επιπλέον πληροφορίες για την
διπλωματική παρέχονται στα παραρτήματα στο τέλος της διπλωματικής. Πιο συγκεκριμένα:
Κεφάλαιο 1. Παρουσιάζει μια σύντομη εισαγωγή και μερικές πληροφορίες για τους τομείς
έρευνας της διπλωματικής. Παρουσιάζεται ο το θέμα και τονίζονται τα σημεία που θα
καλυφτούν. Τέλος, γίνεται αναφορά των στόχων, των προσδοκιών και των περιορισμών της
διπλωματικής.
Κεφάλαιο 2. Σε αυτό το κεφάλαιο έγινε επιθεώρηση και κριτική βασικών ζητημάτων των
συστημάτων αυτοματισμού, του οικιακού και κτιριακού αυτοματισμού, των μικροελεγκτή, των
ασυρμάτων δικτύων αισθητήρων και του Zigbee. Δόθηκαν ορισμοί και αναλύθηκαν οι
σχετικές έννοιες.
Κεφάλαιο 3. Σε αυτό το κεφάλαιο αναλύθηκε η μεθοδολογία υλοποίησης της διπλωματικής
και του project και ο διαχωρισμός της διαδικασίας σε τρεις επιμέρους φάσεις. Δόθηκαν εκτενή
τεχνικά χαρακτηριστικά των εναλλακτικών επιλογών και δικαιολογήθηκε η επιλογή των
εξαρτημάτων που επιλέχτηκαν έπειτα από εκτενή μελέτη. Έγινε αναφορά στον διαδικασία
σχεδίασης του συστήματος και στην στρατηγική που εφαρμόστηκε και τέλος έγινε αναφορά
στην υλοποίηση όλων των παραπάνω και στην μετάβαση από την θεωρητική μελέτη και
σχεδίαση στην πρακτική υλοποίηση του συστήματος.
Κεφάλαιο 4. Παρουσίαση των πειραματικών αποτελεσμάτων που προέκυψαν από την
εφαρμογή του συστήματος βασισμένη σε θεωρητικά στοιχεία αλλά και σε πρακτικά καθώς και
σύντομη συζήτηση και σχολιασμός.
Κεφάλαιο 5. Εξαγωγή συμπερασμάτων από την ολοκλήρωση του project και ανάλυση των
πειραματικών αποτελεσμάτων. Προτάσεις για περαιτέρω έρευνα και μελέτη για εφαρμογή σε
μελλοντικές διπλωματικές.
5
Κεφάλαιο 1 - Εισαγωγή
(Η σελίδα αυτή αφέθηκε κενή σκοπίμως)
6
Κεφάλαιο 2 – Βιβλιογραφική Ανασκόπηση
Κεφάλαιο 2
Βιβλιογραφική Ανασκόπηση
Αυτό το κεφάλαιο αποσκοπεί στο να παρουσιάσει τα σχετικά ζητήματα με τα
συστήματα αυτοματισμού, τον οικιακό και κτιριακό αυτοματισμό, την κεντρική μονάδα
ελέγχου, τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων και το πρωτόκολλο Zigbee. Η συζήτηση
επικεντρώνεται στον ορισμό των επιμέρους θεμάτων και στα βασικά τους στοιχεία και
χαρακτηριστικά, καθώς και στην παρουσίαση των διαθέσιμων εναλλακτικών επιλογών. Έπειτα
από ανάλυση και αντιπαράθεση, αναλύονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της
εκάστοτε εναλλακτικής επιλογής.
2.1 Συστήματα Αυτοματισμού
‘Αυτοματισμός είναι η τεχνολογία με την οποία διεκπεραιώνεται μια διεργασία ή μια
διαδικασία χωρίς την ανθρώπινη βοήθεια. Η διαδικασία αυτή υλοποιείται με τη χρήση ενός
προγράμματος εντολών σε συνδυασμό με ένα σύστημα έλεγχου το οποίο εκτελεί τις εντολές
αυτές’ [1]. Στο πεδίο εφαρμογής της εκβιομηχάνισης, ο αυτοματισμός, είναι ένα βήμα μετά
την μηχανοποίηση. Ενώ η μηχανοποίηση παρέχει στον άνθρωπο εργαλεία για να ξεπεράσει τις
σωματικές απαιτήσεις της δουλειάς, ο αυτοματισμός μείωσε κατά πολύ τις ανάγκες για
ανθρωπινή παρέμβαση και πνευματική κόπωση. ‘Ο όρος αυτοματισμός επινοήθηκε πρώτη φορά
από τον Del Harder το 1946 ως αναφορά στις πολλές αυτόματες συσκευές που είχε αναπτύξει η
Ford Motor Company για τις γραμμές παράγωγης της’. [1] Οι ιδέες, όμως, για τρόπους
αυτοματοποίησης διεργασιών υπήρχαν από την αρχαία Ελλάδα. Στην σύγχρονη εποχή, η πιο
εξελιγμένη μορφή συστημάτων αυτοματισμού είναι η τεχνητή νοημοσύνη, που σχεδιάστηκε
για να αναπαράγει τις ανθρώπινες διαδικασίες σκέψης. ‘Ένα μεγάλο κύμα ανάπτυξης θα επέλθει
μέσω της νέας τεχνολογίας (ίσως αισθητήρες νανοτεχνολογίας ή ασύρματοι), της παράγωγης στο
χαμηλότερο κόστος για παγκόσμια διανομή και γρήγορο χρόνο εισαγωγής του προϊόντος στην
αγορά (fast time-to-market), που δεν εμποδίζεται από τα πρότυπα των επίτροπων και τις
απαρχαιωμένες διαχειρίσεις συντηρητισμού. Οι διαχειριστές(managers), οι καινοτόμοι και οι
οραματιστές, που αναγνωρίζουν τις δυνατότητες, θα γίνουν οι νέοι ηγέτες του αύριο’. [2]
2.1.1 Βασικά Στοιχειά Συστήματος Αυτοματισμού
Ένα σίτεμα αυτοματισμού αποτελείται από τρία βασικά στοιχεία:
1. Ενέργεια, για να διεκπεραιωθεί η διαδικασία αυτοματισμού και να λειτούργει το
σύστημα (Power).
2.
Πρόγραμμα εντολών, για να διευθετείται η διαδικασία (Program of Instructions).
7
Κεφάλαιο 2 – Βιβλιογραφική Ανασκόπηση
3. Σύστημα ελέγχου για να ενεργοποιεί τις εντολές (Control System).
Σχήμα 2.1 Δομή Συστήματος Ελέγχου
Στην σύγχρονη εποχή ο αυτοματισμός εφαρμόζεται σε πολλές πτυχές της καθημερινής
ζωής και της βιομηχανίας. Μια γενική κατηγοριοποίηση των εφαρμογών του αυτοματισμού
είναι:
•
Αυτοματοποιημένη επιτήρηση με βίντεο (video surveillance).
•
Αυτοματοποιημένα συστήματα αυτοκινητόδρομων (Automated Highway Systems).
•
Αυτοματοποιημένη παράγωγη.
•
Οικιακός και Κτιριακός Αυτοματισμός (Home and Building Automation).
2.2 Οικιακός και Κτιριακός Αυτοματισμός
2.2.1 Τι είναι Οικιακός και Κτιριακός Αυτοματισμός
Το επίπεδο αυτοματισμού σε οικιακά και εμπορικά κτίρια αυξάνεται σταθερά με την
πάροδο του χρόνου. Αυτό δεν οφείλεται μόνο στην ολοένα και αυξανομένη απαίτηση για
άνεση, ευκολία και ασφάλεια, αλλά και στην απαίτηση για σωστή διαχείριση της ενεργείας.
Όταν μιλάμε για αυτοματοποιημένες λειτουργιές σε κτίρια, πολλές φορές χρησιμοποιούνται οι
έννοιες «κτιριακός αυτοματισμός» και «κτιριακός έλεγχος». Παρότι αυτές οι δυο έννοιες
μοιάζουν για συνώνυμες, η Ένωση Γερμανών Μηχανικών (Verein Deutscher Ingenieure)
ορίζει τον κτιριακό αυτοματισμό ως εξής:
‘Κτιριακός αυτοματισμός είναι η μέτρηση, ο έλεγχος και η οργάνωση μέσω υπολογιστή των
κτιριακών υπηρεσιών’. [3]
8
Κεφάλαιο 2 – Βιβλιογραφική Ανασκόπηση
Από τον ορισμό μπορούμε να συμπεράνουμε ότι ο κτιριακός έλεγχος είναι κομμάτι του
κτιριακού αυτοματισμού. ‘Ο κτιριακός έλεγχος είναι ένα συγκεκριμένο κομμάτι του κτιριακού
αυτοματισμού που επικεντρώνεται, κυρίως, στις ηλεκτρικές εγκαταστάσεις. Ο κτιριακός έλεγχος
αναφέρεται στη χρήση ενός εγκατεστημένου δίαυλου για την σύνδεση των εξαρτημάτων και
συσκευών σ’ ένα σύστημα για μια συγκεκριμένη ηλεκτρική εγκατάσταση, που ελέγχει και συνδέει
όλες τις λειτουργίες και τις διαδικασίες σ’ ένα κτίριο. Όλα τα εξαρτήματα έχουν την δική τους
«νοημοσύνη» και ανταλλάσσουν πληροφορίες μεταξύ τους’. [3]
Ο οικιακός αυτοματισμός επικεντρώνεται κυρίως στην:
•
Μείωση κόστους/περιορισμός κατανάλωσης ενέργειας.
•
Άνεση και ευκολία.
•
Ασφάλεια.
Ο κτιριακός αυτοματισμός επικεντρώνεται στην:
•
Μείωση κόστους/περιορισμός κατανάλωσης ενέργειας.
•
Επικοινωνία μέσω συστημάτων επικοινωνίας και δικτύων.
•
Άνεση και ευκολία.
•
Ευελιξία.
2.2.2 Οικιακός Αυτοματισμός
Οι κύριες διεργασίες που αναλαμβάνει να διεκπεραιώσει ένα σύστημα οικιακού
αυτοματισμού είναι:
Θέρμανση, Εξαερισμός, Κλιματισμός (HVAC)
Περιλαμβάνει τον έλεγχο της θερμοκρασίας και της υγρασίας. Είναι από τους πιο
σημαντικούς τομείς ελέγχου και συμβάλλει στην εξοικονόμηση χρημάτων και στην προστασία
του περιβάλλοντος.
Φωτισμός
Περιλαμβάνει τον έλεγχο του φωτισμού σε όλο το σπίτι. Μπορεί να σβήσει όλα τα
φώτα, να αντικαταστήσει τον χειροκίνητο έλεγχο των διακοπτών με αυτοματοποιημένα
σήματα, να ρυθμίσει την φωτεινότητα των λαμπτήρων σύμφωνα με τα διαθέσιμα επίπεδα
φωτεινότητας στον χώρο και να αλλάξει το χρώμα του περιβάλλοντος χώρου, μέσω ελέγχου
φωτοφόρων ή ηλεκτρονικών dimmer.
9
Κεφάλαιο 2 – Βιβλιογραφική Ανασκόπηση
Ήχος και Εικόνα
Περιλαμβάνει την ενεργοποίηση και τη διανομή ήχου και εικόνας. Πολλαπλές πήγες
ήχου και εικόνας μπορούν να επιλεχτούν και να διανεμηθούν σ’ ένα ή περισσότερα δωμάτια.
Ασφάλεια
Περιλαμβάνει τον έλεγχο και την ενσωμάτωση συστημάτων ασφαλείας. Στην
κατηγορία αυτή περιέχονται συστήματα ασφαλείας που αφορούν πιθανή εισβολή,
προσομοίωση παρουσίας, εντοπισμός φωτιάς, διαρροής αερίου ή νερού, συναγερμό ιατρικών
περιστατικών και ακριβές και ασφαλές κλείσιμο στα στόρια.
Συστήματα διεπικοινωνίας
Περιλαμβάνει συστήματα που επιτρέπουν την επικοινωνία μέσω μικροφώνου και
μεγαφώνου ανάμεσα σε δωμάτια.
Ρομποτική
Περιλαμβάνει τον έλεγχο οικιακών ρομπότ και την επικοινωνία των ρομπότ με το
οικιακό δίκτυο και τα υπόλοιπα ρομπότ.
Αλλά συστήματα
Με ειδικό υλικό εξοπλισμό μπορεί να ελεγχθεί οποιαδήποτε συσκευή αυτόματα ή
απομακρυσμένα.
10
Κεφάλαιο 2 – Βιβλιογραφική Ανασκόπηση
Σχήμα 2.2 Οικιακός Αυτοματισμός
(http://www.netsysconsultants.com/content/default.aspx?categorycode=HMEAUTSOL1)
Όλες αυτές οι διεργασίες εκτελούνται από μια προγραμματισμένη αλληλουχία
ενεργειών που ενεργοποιούνται είτε από την ώρα της ημέρας, είτε ως απόκριση σε εξωτερικά
γεγονότα που εντοπίζονται από τους αισθητήρες.
2.2.3 Συστατικά Στοιχεία του Συστήματος
Τα βασικά συστατικά στοιχεία ενός συστήματος οικιακού αυτοματισμού είναι:
•
Κεντρική μονάδα ελέγχου.
•
Ενεργοποιητές.
•
Αισθητήρες.
•
Μέσο διασύνδεσης.
11
Κεφάλαιο 2 – Βιβλιογραφική Ανασκόπηση
Κεντρική μονάδα ελέγχου
Η κεντρική μονάδα ελέγχου είναι η καρδιά του συστήματος. Οι ενδείξεις των
αισθητήρων αποτελούν είσοδο στην μονάδα, ενώ τα σήματα ελέγχου αποστέλλονται στους
ενεργοποιητές. Το σπίτι μπορεί να διαιρεθεί σε ξεχωριστές ζώνες και να ελέγχονται
ξεχωριστά. Αλλά τα πραγματικά οφέλη ενός συστήματος οικιακού αυτοματισμού μπορούν να
γίνουν κατανοητά μόνο μ’ ένα πλήρως ολοκληρωμένο σύστημα. Η κεντρική μονάδα ελέγχου
περιέχει το πρόγραμμα αυτοματοποιημένου ελέγχου του σπιτιού. Ο χρήστης μπορεί να
αλληλεπιδράσει με το πρόγραμμα μέσω μιας συσκευής εισόδου, ώστε να κάνει αλλαγές στις
παραμέτρους του συστήματος και στις προγραμματισμένες δράσεις. Η αλληλεπίδραση με το
πρόγραμμα ελέγχου μπορεί να γίνεται, επίσης, μέσω υπολογιστή ή μέσω απομακρυσμένου
ελέγχου με συσκευή χειρός.
Ενεργοποιητές
Οι ενεργοποιητές αποτελούν την έξοδο του συστήματος ελέγχου και περιλαμβάνουν
έλεγχο relays για οποιαδήποτε ηλεκτρική συσκευή, dimmers για έλεγχο φωτεινότητας
λαμπτήρων και εξαερισμού, ηλεκτρικές βαλβίδες και κινητήρες για έλεγχο σε τέντες και ρολά.
Αισθητήρες
Οι αισθητήρες μετρούν φυσικά μεγέθη όπως η θερμοκρασία, το επίπεδο φωτεινότητας,
ο ήχος, η κίνηση, η υγρασία και η ποσότητα νερού, αερίου και ενέργειας, που καταναλώθηκε.
Οι ενδείξεις των αισθητήρων αποτελούν την είσοδο του συστήματος ελέγχου.
Μέσο διασύνδεσης
Οι ενδείξεις των αισθητήρων και τα σήματα ελέγχου από και προς την κεντρική
μονάδα ελέγχου μπορούν να μεταφερθούν είτε μέσω καλωδίου είτε ασύρματα. Το ενσύρματο
δίκτυο είναι πιο αξιόπιστο, όσον αφορά τη μεταφορά δεδομένων, είναι πιο ανθεκτικό στην
παρεμβολή και στον θόρυβο και υπάρχει η δυνατότητα τροφοδοσίας των αισθητήρων μέσω
του ίδιου του δικτύου καλωδίωσης. Ωστόσο, το ασύρματο δίκτυο προσφέρει ελευθερία, όσον
αφορά την εγκατάσταση του δικτύου, αλλά με το τίμημα της περιορισμένης δυνατότητας
εύρεσης εξωτερικής τροφοδοσίας. Όσον αφορά την μετάδοση δεδομένων και πληροφορίας, το
ασύρματο δίκτυο δεν είναι τόσο αξιόπιστο και τόσο ανθεκτικό στο θόρυβο, όσο το καλώδιο,
αλλά με την εξέλιξη των δικτύων και των πρωτοκόλλων η ασύρματη επικοινωνία γίνεται
ολοένα και πιο αξιόπιστη.
12
Κεφάλαιο 2 – Βιβλιογραφική Ανασκόπηση
2.2.4 Πρωτόκολλα Οικιακού Αυτοματισμού
Η επικοινωνία ανάμεσα στην κεντρική μονάδα ελέγχου και στους αισθητήρες και
ενεργοποιητές αποτελείται από ψηφιακά δεδομένα και η επικοινωνία προσαρμόζεται σ' ένα
δομημένο μοντέλο επιπέδων. Το χαμηλότερο επίπεδο ορίζει τις φυσικές ιδιότητες του
σήματος, όπως τα επίπεδα σήματος, η συχνότητα και η μέθοδος διαμόρφωσης και
κωδικοποίησης των δεδομένων. Το μεσαίο επίπεδο ορίζει τη μέθοδο υπολογισμού ελέγχου του
αθροίσματος, την κρυπτογράφηση των δεδομένων και τη διευθυνσιοδότηση και δρομολόγηση
για να εξασφαλιστεί η μετάδοση των δεδομένων στο σωστό προορισμό. Το υψηλότερο
επίπεδο (επίπεδο εφαρμογής) χειρίζεται την αλληλεπίδραση με το χρηστή, τη διερμηνεία των
εισόδων ελέγχου και την απεικόνιση της κατάστασης του συστήματος.
Για να γίνεται σωστά η λειτουργία όλων των στοιχείων του συστήματος, όλα τα
επίπεδα του πρωτόκολλου πρέπει να είναι καλά ορισμένα. Υπάρχει πληθώρα διαφορετικών
δικτύων και πρωτοκόλλων, μερικά εκ των οποίων ορίζουν μόνο, το χαμηλό και το μεσαίο
επίπεδο, ενώ υπάρχουν αλλά, που ορίζουν μόνο τα ανώτερα επίπεδα και προσφέρουν
προτάσεις στο πως μπορεί να υλοποιηθεί το φυσικό επίπεδο, με βάση το μέσο διασύνδεσης
που χρησιμοποιείται. Τα πιο διαδεδομένα πρωτόκολλα στην αγορά είναι τα παρακάτω:
EIB/KNX
Ένα από τα παλιότερα πρωτόκολλα για οικιακό αυτοματισμό βασισμένο σε καλώδια
είναι το EIB (European Installation Bus). Υφίσταται εδώ και 20 χρόνια, αλλά δεν
αφομοιώθηκε και δεν διαδόθηκε, όπως αναμενόταν. Στο μεταξύ, ένα πιο περιεκτικό
πρωτόκολλο, το KNX [4], εμφανίστηκε και βασίζεται στο EIB. Παρότι τα πρωτόκολλα
προορίζονταν για ενσύρματες εφαρμογές, αναπτύχτηκαν και ασύρματες εφαρμογές. Υπάρχει
μεγάλο εύρος εξαρτημάτων και εξοπλισμού για αυτό το πρωτόκολλο, τα περισσότερα εκ των
οποίων κυμαίνονται σε υψηλές τιμές. ‘Το πρωτόκολλο KNX έχει εγκριθεί ως:
•
Ευρωπαϊκό Πρότυπο (CENELEC EN 50090 and CEN EN 13321-1).
•
Διεθνές Πρότυπο (ISO/IEC 14543-3).
•
Κινέζικο Πρότυπο (GB/Z 20965).
•
Αμερικανικό Πρότυπο (ANSI/ASHRAE 135)’.
Ethernet
Τα δίκτυα Ethernet έχουν εξέχουσα θέση στον οικιακό αυτοματισμό. Ο όρος
ουσιαστικά περιγράφει το χαμηλότερο επίπεδο του πρωτόκολλου, έτσι, καθίσταται πιθανό να
αποσταλούν δεδομένα KNX, μέσω ενός δικτύου Ethernet. Το πρωτόκολλο TCP/IP, που
χρησιμοποιείται για διαδικτυακές επικοινωνίες, θα μπορούσε σε γενικές γραμμές να
13
Κεφάλαιο 2 – Βιβλιογραφική Ανασκόπηση
χρησιμοποιηθεί ως βάση για ένα οικιακό δίκτυο, αλλά για την πλήρη αυτοματοποίηση του
σπιτιού θα χρειαζόταν ένα καλώδιο Ethernet σε κάθε λάμπα και διακόπτη. Επίσης, θα ήταν
υποχρεωτικό, να ενσωματωθεί το πρωτόκολλο TCP/IP σε κάθε κόμβο. Η απαίτηση αυτή
καθιστούσε υποχρεωτική την εύρεση φθηνών 8-bit μικροελεγκτών. Μια εφαρμογή υπάρχει
ήδη, οπού το καλώδιο Ethernet διατρέχει τις κεντρικούς άξονες ενός κτιρίου με το καλώδιο να
καταλήγει στους αισθητήρες και στους ενεργοποιητές.
Z-Wave
Το πρωτόκολλο Z-Wave [5] αναπτύχτηκε από την Δανική εταιρία Zensys και βασίζεται
στην ασύρματη επικοινωνία των κόμβων. Την εταιρία Zensys πρόσφατα ανέλαβε η US
Company Sigma Designs. Προς το παρόν, υπάρχουν πάνω από 160 κατασκευαστές
εγγεγραμμένοι στην Z-Wave Alliance. Στην Ευρώπη το σύστημα λειτούργει στα 868 MHz
στην ISM-Band, κάνει ευφυή χρήση κάθε κόμβου στο σύστημα, με την προσέγγιση
«πολυπλεγματικού δικτύου» (meshed network). Το πρωτόκολλο Z-Wave χρησιμοποιεί
παρόμοιε μέθοδο δρομολόγησης με το Zigbee, που είναι και ο άμεσος ανταγωνιστής. Παρόλα
αυτά, το πρωτόκολλο αυτό σχεδιάστηκε κατά κύριο λόγο για οικιακό αυτοματισμό και δεν έχει
την ικανότητα να μεταφέρει δεδομένα ήχου και εικόνας, λόγω χαμηλού ρυθμού μετάδοσης
(9.6-40 kbit/s) η οποία, όμως, αρκεί για συστήματα οικιακού αυτοματισμού. Το εύρος των
επιλογών για προϊόντα δεν είναι ακόμη τόσο περιεκτικό, όσο αυτό του KNX.
Zigbee
Το πρωτόκολλο Zigbee [6] ορίζει μια ασύρματη επικοινωνία στην ISM-Band στα 2.4
GHz και στα 868 MHz, με ρυθμό μετάδοσης δεδομένων πάνω από 250kbit/s. Όπως και στο ZWave, τα πακέτα δρομολογούνται στους κόμβους του δικτύου και αυτό σημαίνει ότι
απαιτείται περισσότερη επεξεργαστική ισχύς σε σχέση με τα απλουστέρα ασύρματα δίκτυα και
αύξηση της πολυπλοκότητας υλοποίησης. Για να υπερκεραστεί αυτό το πρόβλημα, κάποιοι
κατασκευαστές προσφέρουν μόνο έναν πλήρη πομποδέκτη RF, που μπορεί να ενσωματωθεί σε
προϊόν. Για να βγάλει μια εταιρία ένα προϊόν βασισμένο στο πρωτόκολλο, πρέπει να είναι
μέρος της Zigbee Alliance και το προϊόν πρέπει να πληρεί συγκεκριμένες προδιαγραφές, πριν
να χρησιμοποιηθεί το λογότυπο Zigbee. Τα ετησία κόστη πιστοποίησης είναι υψηλοτέρα από
αυτά της Z-Wave Alliance. Οι επικοινωνίες που βασίζονται σε Zigbee χρησιμοποιούν
προηγμένες τεχνικές διαμόρφωσης και περιλαμβάνουν αλγορίθμους εντοπισμού/διόρθωσης
σφαλμάτων, για να διασφαλιστεί η επικοινωνία μεταξύ κόμβων. Το πρωτόκολλο απέδωσε
άψογα, σύμφωνα με τους εκπροσώπους της Zigbee Alliance, κατά τη διάρκεια του Consumer
Electronics Show στο Λας Βέγκας, παρά τα πολλά τηλεφωνά και Bluetooth που
χρησιμοποιούνταν μέσα στο χώρο.
14
Κεφάλαιο 2 – Βιβλιογραφική Ανασκόπηση
Απλουστέρα Πρωτόκολλα
Εκτός από τα προτυποποιημένα πρωτόκολλα ασύρματης επικοινωνίας που
αναφέρθηκαν, υπάρχει πληθώρα διαθέσιμων λειτουργικών συστημάτων στα 434 MHz και στα
868 MHz. Για εφαρμογές οικιακού αυτοματισμού με χαμηλές απαιτήσεις σε ρυθμό μετάδοσης
δεν απαιτούνται μηχανισμοί δρομολόγησης και αποφυγής σύγκρουσης. Ένα αποδεκτό επίπεδο
ασφαλείας επιτυγχάνεται με επαναλαμβανόμενες εντολές. Ένα παράδειγμα τέτοιου
συστήματος είναι το HomeMatic που αναπτύχτηκε από τη Γερμανική εταιρία ELV. Υπάρχει,
επίσης, και το FS20 το οποίο, όμως, στέλνει μηνύματα επιβεβαίωσης. Επίσης, υπάρχουν και
ενσύρματα συστήματα που βασίζονται στο πρωτόκολλο RS485, όπως το HomeMatic wired
system. Είναι ένα εύκολα επεκτάσιμο δίκτυο και σε πολύ λογικές τιμές.
Ένα από τα πιο γνωστά και από τα πρώτα συστήματα οικιακού αυτοματισμού είναι και
το X10, που χρησιμοποιείται κυρίως στην Αμερική, αλλά και στην Ευρώπη σε μικρότερη
κλίμακα. Το Χ10 είναι ένα δίκτυο PLC το οποίο έχει μερικές αδυναμίες: οι ενεργοποιητές δεν
αποστέλλουν μηνύματα επιβεβαίωσης και έτσι, πολλές φορές, οι εντολές χάνονται και έτσι το
σύστημα απέκτησε τη φήμη χαμηλής αξιοπιστίας. Επίσης, το σύστημα επιδέχεται
διευθυνσιοδότηση, μόνο μέχρι 256 διευθύνσεων στο δίκτυο, και έτσι επέρχεται γρήγορα ο
κορεσμός του συστήματος. Παρά τις αδυναμίες του, το X10 παραμένει το πιο διαδεδομένο
σύστημα κυρίως λόγω της απλότητας και του χαμηλού κόστους των εξαρτημάτων. Η
αμερικανική εταιρία SmartLabs επανέφερε τη δημοσιότητα του X10 με το πρόσφατο Insteon
το οποίο είναι συμβατό και με το X10. Το Insteon μπορεί να μεταδώσει δεδομένα ασύρματα
στα 904 MHz και αυτό βελτιώνει κατά πολύ την αξιοπιστία της επικοινωνίας.
2.3 Κεντρική Μονάδα Ελέγχου
Ηλεκτρικά κυκλώματα, επεξεργαστές ψηφιακού σήματος και μικροελεγκτές μπορούν
να χρησιμοποιηθούν για υλοποίηση συστημάτων ελέγχου στα συστήματα αυτοματισμού.
Εξετάζοντας κάθε φορά τις ανάγκες που προκύπτουν από μια εφαρμογή, θα πρέπει να
αναζητηθεί η βέλτιστη δυνατή λύση με γνώμονα την απλότητα. Οι πιθανές εναλλακτικές
λύσεις μπορούν να είναι:
1. Χρήση ενός ψηφιακού κυκλώματος, ειδικού σκοπού,
2. Χρήση ψηφιακών κυκλωμάτων που περιλαμβάνει ένα PLD (Programmable Logic
Device),
3. Υλοποίηση βασισμένη σε ολοκληρωμένα κυκλώματα εξειδικευμένων εφαρμογών
(ASIC).
4. Χρήση μικροελεγκτών ειδικών ή γενικών εφαρμογών,
5. Χρήση προγραμματιζόμενων λογικών ελεγκτών (PLC).
15
Κεφάλαιο 2 – Βιβλιογραφική Ανασκόπηση
‘Κατά τη διαδικασία ανάπτυξης μιας εφαρμογής που βασίζεται σε κάποια συγκεκριμένη
προδιαγραφή, η ανάγκη υλοποίησης με χρήση διακριτών ψηφιακών κυκλωμάτων, ή
ολοκληρωμένων κυκλωμάτων PLD ή ακόμη και μικροελεγκτών, προσδιορίζεται πάντα από τον
ίδιο τον σχεδιαστή της εφαρμογής’. [7]
Ψηφιακά Κυκλώματα Ειδικού Σκοπού
Τα ψηφιακά κυκλώματα ειδικού σκοπού αποτελούν την απλούστερη λύση για
υλοποίηση συστημάτων ελέγχου σε συνδυασμό με χαμηλό κόστος. Το τίμημα βεβαία είναι ότι
μπορούν να επιτελούν μόνο το συγκεκριμένο σκοπό για τον οποίο σχεδιαστήκαν, καθιστούν
δύσκολη την επέκταση του συστήματος, σε περιπτώσεις αλλαγής του συστήματος ελέγχου, και
καθιστούν υποχρεωτική την πλήρη αντικατάσταση τους, σε περίπτωση αναβάθμισης. Εν
ολίγοις:
•
Είναι μόνο για μικρές εφαρμογές, έχουν χαμηλό κόστος, είναι απλά στην υλοποίηση,
•
Δεν είναι ευέλικτα, δεν είναι επεκτάσιμα, επιτέλλουν μόνον το σκοπό για τον όποιον
υλοποιήθηκαν, απαιτούν αντικατάσταση, σε περίπτωση αναβάθμισης.
Χρήση Ψηφιακών Κυκλωμάτων που Περιλαμβάνουν ένα PLD
Σύμφωνα με τους S.Brown και Z.Vranesic [8] μια προγραμματιζόμενη λογική συσκευή
είναι ένα ηλεκτρονικό εξάρτημα που χρησιμοποιείται για την κατασκευή
επαναπρογραμματιζόμενων ψηφιακών κυκλωμάτων. Σε αντίθεση με μια λογική πύλη, που έχει
μια καθορισμένη λειτουργιά, το PLD έχει αόριστη λειτουργιά κατά τη διαδικασία παράγωγης.
Πριν να χρησιμοποιηθεί ως μέρος ενός συστήματος, πρέπει να προγραμματιστεί. ‘Ο μονός
τύπος PLD που υποστηρίζει πολύ μεγάλη χωρητικότητα λογικής είναι τα FPGA, που είναι και
υπεύθυνα για την κύρια πρόοδο του τρόπου με τον οποία σχεδιάζονται τα ψηφιακά κυκλώματα’
[9]. Τα PLD χαρακτηρίζονται από:
•
Αυξημένο βαθμό ενσωμάτωσης, βελτιωμένη αξιοπιστία, χαμηλό κόστος, ευκολία στη
χρήση, ευκολία σε αλλαγές και επεκτάσεις, εφαρμογή σε προϊόντα με μεγάλο βαθμό
πολυπλοκότητας
•
Εφαρμογές χαμηλών απαιτήσεων, μεγάλη κατανάλωση ισχύος, μεγάλο χρόνο
εισαγωγής προϊόντος στην αγορά, για προϊόντα με μικρή ζήτηση.
Υλοποίηση βασισμένη σε ολοκληρωμένα κυκλώματα εξειδικευμένων εφαρμογών
(ASIC)
Τα ASICs αναφέρονται σε ενσωματωμένα κυκλώματα που έχουν υλοποιηθεί για
συγκεκριμένες διεργασίες. ‘Τα συστατικά εξειδικευμένων εφαρμογών μπορούν να
16
Κεφάλαιο 2 – Βιβλιογραφική Ανασκόπηση
κατηγοριοποιηθούν σε full-custom ASICs, Semi-custom ASICs και field programmable ICs’
[10]. Όσο τα μεγέθη των χαρακτηριστικών συρρικνώνονται και τα σχεδιαστικά εργαλεία
βελτιώθηκαν, η μεγίστη πολυπλοκότητα στα ASIC αυξήθηκε από 5000 πύλες σε παραπάνω
από 100 εκατομμύρια. Κύρια χαρακτηριστικά των ASICs:
•
Μεγάλες ταχύτητες, χαμηλή κατανάλωση ισχύος, χαμηλό κόστος παραγωγής για
μαζικές παραγωγές, ασφαλέστερη σχεδίαση, δύσκολη αντιγραφή, καλύτερο έλεγχο των
χαρακτηριστικών εισόδων/εξόδων και πιο συμπαγή κατασκευή.
•
Μεγάλος χρόνος επιστροφής από διανομείς πυριτίου, μεγάλο κόστος για χαμηλής
ποσότητας παραγωγές, πολύ μεγάλο κόστος NRE(Non Reverse Engineering) και τέλος,
από τη στιγμή που το σχέδιο περαστεί στο πυρίτιο, δεν μπορεί να αλλαχθεί.
Χρήση μικροελεγκτών ειδικών ή γενικών εφαρμογών
‘Η ενσωμάτωση μέσα στο σώμα του ίδιου ολοκληρωμένου κυκλώματος ενός
μικροεπεξεργαστή μαζί με τα απαραίτητα κυκλώματα υποστήριξης, τις περιφερειακές μονάδες
εισόδου-εξόδου και την μνήμη προγράμματος και δεδομένων συντελεί στη δημιουργία μιας
διάταξης που καλείται μικροελεγκτής’.[7] ‘Ένας άλλος όρος για την περιγραφή ενός
μικροελεγκτή είναι ενσωματωμένος ελεγκτής γιατί ο μικροελεγκτής και τα κυκλώματα
υποστήριξης είναι ενσωματωμένα σε συσκευές τις οποίες ελέγχουν.’[11] Χαρακτηριστικά
μικροελεγκτών:
•
Χαμηλό κόστος, single-chip computer, χαμηλή κατανάλωση ισχύος, γρήγορος χρόνος
εισαγωγής προϊόντος στην αγορά.
•
Προσηλωμένα σε μια μόνο διεργασία, χρήση σε μικρά συστήματα, περιορισμένο εύρος
μνήμης, μικρή ευελιξία.
Χρήση προγραμματιζόμενων λογικών ελεγκτών (PLC)
‘Οι προγραμματιζόμενοι λογικοί ελεγκτές είναι μελή της οικογένειας των υπολογιστών,
που χρησιμοποιούν ενσωματωμένα κυκλώματα αντί για ηλεκτρομηχανικές συσκευές, για να
πραγματοποιήσουν έλεγχο διεργασιών. Είναι ικανά για αποθήκευση εντολών, όπως χρονισμός,
αρίθμηση, πράξεις, διαχείριση δεδομένων και επικοινωνίας, για να ελέγξουν βιομηχανικές
διεργασίες. Μπορούν να θεωρηθούν ως βιομηχανικοί υπολογιστές με ειδικά σχεδιασμένη
αρχιτεκτονική’ [12]. Τα PLC χαρακτηρίζονται από:
•
Μεγάλη ανθεκτικότητα σε καταπόνηση, σκόνη, υψηλές θερμοκρασίες, σχεδιασμένοι
για τις αντίξοες συνθήκες της βιομηχανίας, χαμηλό κόστος υλικών, εύκολη συντήρηση.
•
Δεν μπορούν να επιλύσουν προβλήματα με μεγάλη πολυπλοκότητα καθώς και δεν
μπορούν να ανταπεξέλθουν σε εφαρμογές που απαιτούν μεγάλη ταχύτητα και ακρίβεια.
17
Κεφάλαιο 2 – Βιβλιογραφική Ανασκόπηση
2.3.1 Μικροελεγκτής
Βασικά Χαρακτηριστικά Μικροελεγκτή
Σύμφωνα με τον V.Gadre[7] οι κυριότερες ιδιότητες και χαρακτηριστικά των
μικροελεγκτών είναι συνοπτικά οι εξής:
1. Συνδυάζουν την αρχιτεκτονική RISC με ως επί το πλείστον σταθερού μήκους εντολές,
διαδικασίες αποθήκευσης-φόρτωσης στη μνήμη και 32 καταχωρητών γενικής χρήσης.
2. Μηχανισμό συνεχούς διοχέτευσης εντολών (instruction pipeline) σε δυο στάδια, που
επιταχύνει σημαντικά τη διαδικασία εκτέλεσης.
3. Οι περισσότερες από τις εντολές, που περιλαμβάνει το ρεπερτόριο του, εκτελούνται
στη διάρκεια μιας περιόδου ρολογιού.
4. Λειτουργούν σε συχνότητες χρονισμού μέχρι τους 10 MΗz.
5. Διαθέτουν μεγάλη ποικιλία, σε ότι αφορά ενσωματωμένες περιφερειακές μονάδες,
όπως ψηφιακές εισόδους-εξόδους, μετατροπείς αναλογικού σήματος σε ψηφιακό ή
ADC, μνήμη τύπου EEPROM, χρονιστές, μονάδες ασύγχρονης σειριακής επικοινωνίας
ή UART, ρολόγια πραγματικού χρόνου, μονάδες διαμόρφωσης εύρους παλμού και
άλλα.
6. Ενσωματωμένες μνήμες προγράμματος και δεδομένων.
7. Δυνατότητα προγραμματισμού εντός του συστήματος.
8. Διατίθενται συσκευασίες των 8 έως 64 ακροδεκτών, οπότε κρίνονται κατάλληλοι για
έναν μεγάλο αριθμό διαφορετικών εφαρμογών.
9. Είναι περίπου 12 φορές ταχύτεροι και πιο αποδοτικοί σε σχέση με τους ελεγκτές
αρχιτεκτονικής CISC.
10. Ευρεία περιοχή τάσεων λειτουργιάς από 2.7 V ως 6 V.
11. Η σχετικά απλή αρχιτεκτονική τους δίνει το πλεονέκτημα στους αρχάριους του μικρού,
σε απαίτηση, κύκλου εκμάθησης.
Βασικά Συστατικά Μικροελεγκτή
Τα βασικά εσωτερικά σχέδια των μικροελεγκτών είναι περίπου τα ιδία. Όλα τα
συστατικά του μικροελεγκτή συνδέονται μέσω ενός εσωτερικού διαύλου και είναι όλα
ενσωματωμένα σ’ ένα μόνο chip. Τα συστατικά που περιέχονται τυπικά σ’ έναν μικροελεγκτή
είναι τα εξής [13]:
18
Κεφάλαιο 2 – Βιβλιογραφική Ανασκόπηση
•
Πυρήνας επεξεργαστή. Είναι η κεντρική μονάδα επεξεργασίας. Περιέχει την
αριθμητική λογική μονάδα, τη μονάδα ελέγχου και τους καταχωρητές.
•
Μνήμη. Η μνήμη, πολλές φορές, χωρίζεται σε μνήμη προγράμματος και μνήμη
δεδομένων.
•
Ελεγκτής διακοπών. Οι διακοπές είναι χρήσιμες, για να διακόπτουν την κύρια
λειτουργιά του προγράμματος, σε περίπτωση εξωτερικών η εσωτερικών γεγονότων. Σε
συνδυασμό με τις λειτουργιές ύπνου, βοηθούν στην εξοικονόμηση ενέργειας.
•
Χρονιστές/Απαριθμητές. Οι περισσότεροι ελεγκτές έχουν τουλάχιστον έναν και τις
περισσότερες φορές δυο με τρεις χρονιστές/απαριθμητές, που χρησιμοποιούνται για να
σηματοδοτήσουν γεγονότα, να καταγράψουν διαστήματα και να μετρήσουν γεγονότα.
Πολλοί ελεγκτές περιέχουν, επίσης, και παλμούς διαμόρφωσης πλάτους, που
χρησιμοποιούνται για οδήγηση κινητήρων ή ως μετατροπείς από ψηφιακό σε
αναλογικό.
•
Ψηφιακές είσοδοι/έξοδοι. Παράλληλες ψηφιακές πόρτες εισόδων/εξόδων είναι το
κύριο χαρακτηριστικό των μικροελεγκτών. Ο αριθμός των Pins ποικίλλει από τρία με
τέσσερα ως και 90, ανάλογα με την οικογένεια και τον τύπο του ελεγκτή.
•
Αναλογικές είσοδοι/έξοδοι. Με εξαίρεση μερικούς μικρούς μικροελεγκτές, οι
περισσότεροι μικροελεγκτές έχουν ενσωματωμένους μετατροπείς από αναλογικό σε
ψηφιακό, που διαφέρουν από τον αριθμό των καναλιών και την ακρίβεια. Επίσης,
περιλαμβάνει και λειτουργιά αναλογικού συγκριτή. Σε ορισμένες περιπτώσεις, ο
μικροελεγκτής περιλαμβάνει μετατροπείς από ψηφιακό σε αναλογικό.
•
Διεπαφές. Οι μικροελεγκτές κατά κόρον έχουν τουλάχιστον μια σειριακή διεπαφή που
χρησιμοποιείται για να κατέβει το πρόγραμμα και για ανάπτυξη μέσω υπολογιστή. Από
τη στιγμή βεβαία που η σειριακή διεπαφή μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για
επικοινωνία με εξωτερικές περιφερειακές συσκευές οι περισσότεροι ελεγκτές
προσφέρουν ποικίλες διεπαφές.
•
Watchdog Timer. Από τη στιγμή που τα συστήματα ασφαλείας είναι ένα πεδίο δράσης
των μικροελεγκτών, είναι σημαντικό να προστατεύονται από λάθη στο πρόγραμμα η
στο υλικό. Ο χρονιστείς ελέγχου επαναφέρει τον μικροελεγκτή σε περίπτωση
σφάλματος λειτουργικού.
•
Μονάδα αποσφαλμάτωσης. Μερικοί ελεγκτές είναι εξοπλισμένοι με επιπλέον υλικό
που επιτρέπει την απομακρυσμένη αποσφαλμάτωση του chip από τον υπολογιστή.
Έτσι δεν είναι απαραίτητη η κατοχή προγράμματος αποσφαλμάτωσης που έχει το
μειονέκτημα ότι εσφαλμένος κώδικας εφαρμογής δεν μπορεί να αντιγράψει το
πρόγραμμα αποσφαλμάτωσης.
19
Κεφάλαιο 2 – Βιβλιογραφική Ανασκόπηση
Επιλέγοντας τον Σωστό Μικροελεγκτή
Όλοι οι μικροελεγκτές περιέχουν κεντρική μονάδα επεξεργασίας. Σε κάθε οικογένεια
μικροελεγκτών υπάρχουν μελή, το καθένα με διαφορετικό συνδυασμό χαρακτηριστικών και
επιλογών. Έτσι, λοιπόν, ο σχεδιαστής διαλέγει την έκδοση που ταιριάζει καλυτέρα με τις
απαιτήσεις της διεργασίας και του συστήματος.
Οι μικροελεγκτές κατηγοριοποιούνται, όμως, και ως προς το πόσα bit δεδομένων, που
μπορούν να επεξεργαστούν, με δεδομένο βεβαία ότι, όσα περισσότερα bits, τόσο πιο γρήγορος
και αποδοτικός θεωρείται ο μικροελεγκτής. Οι πιο δημοφιλείς μικροελεγκτές είναι οι 8-bit
αλλά υπάρχουν διαθέσιμοι και με αρχιτεκτονικές 4-bit, με 16-bit και με 32-bit.
Ένα άλλο κριτήριο, που πρέπει να έχει υπόψη του ο σχεδιαστής, είναι η κατανάλωση
ισχύος του μικροελεγκτή, ιδίως για συστήματα που βασίζονται σε τροφοδοσία από μπαταρία.
Τα chip, που βασίζονται σε τεχνολογία CMOS, έχουν χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας από
αυτά που βασίζονται σε NMOS. Πολλές συσκευές CMOS έχουν λειτουργιές αναμονής και
ύπνου, που περιορίζουν κατά πολύ την κατανάλωση ενέργειας, όταν τα κυκλώματα είναι
ανενεργά.
2.4 Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων
2.4.1 Ορισμός
‘Ένα ασύρματο δίκτυο αισθητήρων, στην απλούστερη του μορφή, μπορεί να οριστεί ως
ένα δίκτυο από συσκευές επονομαζόμενες ως κομβόι, που μπορούν να αισθανθούν το
περιβάλλον και να μεταδώσουν την πληροφορία που συλλέγεται από το πεδίο ελέγχου μέσω
ασύρματης ζεύξης. Η πληροφορία προωθείται, πιθανόν, μέσω πολλαπλών μεταπηδήσεων, σε μια
πισινά (επονομαζόμενη συνήθως ως ελεγκτής) που μπορεί να τη χρησιμοποιήσει τοπικά ή είναι
συνδεδεμένο με αλλά δίκτυα μέσω μιας πύλης. Οι κομβόι μπορεί να είναι στατικοί ή κινούμενοι.
Μπορούν να έχουν επίγνωση της θέσης τους, μπορεί να είναι ομογενείς, αλλά μπορεί και να μην
είναι’. [14]
20
Κεφάλαιο 2 – Βιβλιογραφική Ανασκόπηση
Σχήμα 2.3 Τυπικό Ασύρματο Δίκτυο Αισθητήρων Multihop Single Sink[15]
2.4.2 Βασικές Κατηγορίες Ασύρματων Δικτύων Αισθητήρων
‘Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων και τα συστήματα στις εμπορικές εφαρμογές μπορών
να ταξινομηθούν σε δυο βασικές κατηγορίες:
•
C1WSN: σχεδόν αμετάβλητα συστήματα βασισμένα σε πολυπλεγματικά δίκτυα με
συνδεσιμότητα πολλαπλών αναπηδήσεων ανάμεσα στα ασύρματα δίκτυα,
χρησιμοποιώντας δυναμική δρομολόγηση και στις ασύρματες αλλά και στις ενσύρματες
ζεύξεις του δικτύου. Τα συστήματα που χρησιμοποιούνται σε στρατιωτικές εφαρμογές
ανήκουν σ' αυτήν την κατηγορία.
Σχήμα 2.4 Ασύρματο Δίκτυο Αισθητήρων τύπου C1WSN [15]
21
Κεφάλαιο 2 – Βιβλιογραφική Ανασκόπηση
•
C2WSN: συστήματα βασισμένα σε επικοινωνία ένας-προς-έναν ή πολλοί-σε-έναν
(τοπολογία αστέρα) κυρίως με συνδεσιμότητα με μια μόνο αναπήδηση, χρησιμοποιώντας
στατική δρομολόγηση μέσω του ασύρματου δικτύου. Τυπικά, υπάρχει μόνο μια
δρομολόγηση από το ασύρματο δίκτυο στο συνεργαζόμενο επίγειο/ενσύρματο προωθητικό
κόμβο. Τα συστήματα οικιακού αυτοματισμού ανήκουν σ' αυτήν την κατηγορία
Ασύρματων Δικτύων Αισθητήρων’.[15]
Σχήμα 2.5 Ασύρματο Δίκτυο Αισθητήρων τύπου C2WSN [15]
2.4.3 Βασικά Αρχιτεκτονικά Στοιχεία
‘Βασικά στοιχεία ενός ασύρματου δικτύου αισθητήρων είναι οι κομβόι (nodes), είτε
αισθητήρες είτε ενεργοποιητές, τα σημεία αναφοράς (sinks) και οι πύλες (gateways). Τα σημεία
αναφοράς, οι πύλες και πολλές φορές ακόμη και οι ενεργοποιητές έχουν πιο πολύπλοκη δομή
από τους αισθητήρες λόγω των λειτουργιών που προσφέρουν ή, και πολλές φορές, χάριν του
τύπου ενεργοποίησης που πραγματοποιούν. Ο κόμβος αισθητήρα είναι η πιο απλή συσκευή στο
δίκτυο και, στις περισσότερες εφαρμογές, ο αριθμός των κόμβων αισθητήρων είναι κατά πολύ
μεγαλύτερος από όλες τις υπόλοιπες συσκευές. Γι’ αυτό και το κόστος τους πρέπει να παραμένει
όσο γίνεται χαμηλότερο. Η πυκνότητα των κόμβων ορίζει το επίπεδο κάλυψης του επιβλέποντος
χώρου καθώς επίσης και τον βαθμό συνδεσιμότητας και του βαθμού προσέγγισης. Η πυκνότητα
των σημείων αναφοράς ορίζει την απόδοση του δικτύου σε επίπεδο ποσοστού επιτυχίας
μετάδοσης της πληροφορίας’.[14]
22
Κεφάλαιο 2 – Βιβλιογραφική Ανασκόπηση
Σχήμα 2.6Αρχιτεκτονική Ασύρματου Δικτύου Αισθητήρων τύπου [14]
Βασικά Χαρακτηριστικά Κόμβων Αισθητήρων
Ένα δίκτυο αισθητήρων αποτελείται από μεγάλο αριθμό κόμβων αισθητήρων, που
είναι πυκνά και τυχαία κατανεμημένα. Οι κομβόι αισθητήρων είναι διασκορπισμένοι σε μια
περιοχή που καλείται πεδίο αισθητήρων (sensor field). Καθένας από τους διανεμημένους
κόμβους αισθητήρων έχει τυπικά την ικανότητα να συλλέγει, να αναλύει και να δρομολογεί
δεδομένα στο σημείο αναφοράς (sink point). Ένας κόμβος αισθητήρα έχει τυπικά
ενσωματωμένες ικανότητες επεξεργασίας και αποθήκευσης δεδομένων, οι οποίες, όμως, είναι
περιορισμένες. Ο κόμβος μπορεί να περιλαμβάνει έναν ή και περισσότερους αισθητήρες. Οι
αισθητήρες μπορεί να είναι είτε ενεργητικές ή παθητικές συσκευές. Συμπερασματικά, κάποια
από τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα των δικτύων αισθητήρων περιλαμβάνουν τα παρακάτω:
•
Πυκνή και τυχαία δομή και κατανομή
•
Είναι επιρρεπή στην αποτυχία και την αστοχία
•
Η τοπολογία τους αλλάζει συχνά
•
Έχουν περιορισμένη παροχή ενέργειας, υπολογιστικές δυνατότητες και μνήμη
•
Μπορεί να μην έχουν παγκόσμια ταυτοποίηση λόγω της μεγάλης ποσότητας
αισθητήρων.
23
Κεφάλαιο 2 – Βιβλιογραφική Ανασκόπηση
Υλικό και Λογισμικό Αισθητήρα
Οι αισθητήρες κατά κύριο λόγο έχουν μια τυπική δομή και τέσσερα βασικά
υποσυστήματα υλικού:
1. Ενέργεια. Ένα κατάλληλο σύστημα παροχής ενέργειας είναι απαραίτητο για την
υποστήριξη της λειτουργιάς από μερικές ώρες μέχρι μερικά χρονιά, ανάλογα με την
εφαρμογή.
2. Υπολογιστική λογική και αποθήκευση. Αυτά τα υποσυστήματα χρησιμοποιούνται για
να χειριστούν, να επεξεργαστούν και να ελέγξουν τα δεδομένα που καταφθάνουν.
Χαρακτηριστικές λειτουργιές είναι κρυπτογράφηση, η προώθηση, διόρθωση
σφαλμάτων, ψηφιακή διαμόρφωση και ψηφιακή μετάδοση. Για επεξεργαστική ισχύ
χρησιμοποιούνται μικροεπεξεργαστές από 8-bit ως και 64-bit ενώ η αποθηκευτική
ικανότητα κυμαίνεται από 0.01 ως 100 GigaBytes.
3. Μεσολαβητής αισθητήρα. Η διεπαφή ανάμεσα στο περιβάλλον και στο ασύρματο
δίκτυο είναι ο αισθητήρας που παίζει και το ρολό του μεσολαβητή και μετατροπέα ενός
φυσικού μεγέθους σε μετρήσιμη μονάδα και δεδομένο για το δίκτυο.
4. Επικοινωνία. Τα ασύρματα δίκτυα πρέπει να έχουν την ικανότητα να επικοινωνούν είτε
ως C1WSN είτε ως C2WSN. Έχουν αναπτυχτεί πολλά πρωτόκολλα από τους
ερευνητές, όπως εύρος μετάδοσης, τεχνικές διαμόρφωσης, δρομολόγηση και
τοπολογίες δικτύων.
Επιπλέον οι αισθητήρες έχουν πέντε βασικά υποσυστήματα λογισμικού:
1. Μικροκώδικας λειτουργικού συστήματος. Είναι ο μικροκώδικας που χρησιμοποιείται
σε όλους τους κόμβους για να υποστηριχτούν συγκεκριμένες λειτουργίες. Κύριος
σκοπός είναι η διασφάλιση του λογισμικού.
2. Οδηγοί των αισθητήρων. Είναι το λογισμικό που αναλαμβάνει τις βασικές λειτουργιές
των πομποδεκτών.
3. Επεξεργαστές
επικοινωνίας.
Αναλαμβάνει
τις
λειτουργιές
επικοινωνίας
συμπεριλαμβανόμενων της δρομολόγησης, της προώθησης πακέτων, της συντήρησης
της τοπολογίας.
4. Οδηγοί επικοινωνίας. Αναλαμβάνει τις λεπτομέρειες του καναλιού μετάδοσης
συμπεριλαμβανομένων του χρονισμού, του συγχρονισμού, του επίπεδου του σήματος,
της διαμόρφωσης και της κωδικοποίησης.
5. Μικρές εφαρμογές επεξεργασίας δεδομένων. Είναι εφαρμογές αριθμητικές,
επεξεργασίας δεδομένων, αποθήκευσης και χειραγώγησης για επεξεργασία μέσα στο
δίκτυο.
24
Κεφάλαιο 2 – Βιβλιογραφική Ανασκόπηση
Σχήμα 2.7 Τυπική Δομή Υλικού και Λογισμικού Κόμβου Αισθητήρα [15]
Τυποποιήσεις για Πρωτόκολλα Μεταφοράς
Η θέση των κόμβων δεν είναι προκαθορισμένες και αυτό επιτρέπει τυχαία τοποθέτηση
σε μη προσβάσιμα εδάφη ή δυναμικές καταστάσεις. Ωστόσο, αυτό σημαίνει ότι τα
πρωτόκολλα και οι αλγόριθμοι πρέπει να κατέχουν ικανότητες αυτό-οργάνωσης.
25
Κεφάλαιο 2 – Βιβλιογραφική Ανασκόπηση
Πιθανά Πρωτόκολλα Στοίβας
Ανώτερα επίπεδα
Σε
εφαρμογές
εντός
δικτύου,
συμπεριλαμβανομένων της επεξεργασίας
εφαρμογών, της επεξεργασίας τοποθέτησης
και των εξωτερικών βάσεων δεδομένων
Μεταφορά, που περιλαμβάνει γνωστοποίηση,
αποθήκευση και κρυφή μνήμη
Δικτύωση για διοίκηση τοπολογίας και
τυπολογική δρομολόγηση
Ένωση επιπέδων: διαμοιρασμός καναλιών,
χρονισμός και τοπικότητα
Φυσικό
μέσο
μετάδοσης:
κανάλι
επικοινωνίας, ενεργοποίηση και επεξεργασία
σήματος
Επίπεδο 4
Επίπεδο 3
Επίπεδο 2
Επίπεδο 1
Σχήμα 2.8 Πίνακας με Πρωτόκολλα Στοίβας
Πιθανά πρωτόκολλα χαμηλού επίπεδου
Όνομα στην αγορά
Στόχος δικτύου
2.5G/3G
WAN/MAN
Επίκεντρο εφαρμογής
Wide area voice
and data
Εύρος σε Mbps
(Bandwidth)
Εύρος μετάδοσης
Σχεδιαστικοί παράγοντες
0.064-0.128+
3000+
Ποιότητα
διάδοσης και
προσβασιμότητα
Wi-Fi
WLAN and
hotspot
Enterprise
applications
(data and
VoIP)
11-54
1-300+
Κόστος,
διαβάθμιση
Bluetooth
PAN, DAN
Zigbee
WSN
Cable
replacement
Monitoring
and control
0.7
0.020-0.25
1-30+
Κόστος,
ευκολία
χρήσης
1-300+
Αξιοπιστία,
ενέργεια και
κόστος
Σχήμα 2.9 Πίνακας με Πρωτόκολλα Χαμηλού Επιπέδου
Οι τεχνολογίες ασύρματης επικοινωνίας φαίνονται στο παρακάτω σχήμα με γνώμονα
το ρυθμό μετάδοσης και την εμβέλεια.
26
Κεφάλαιο 2 – Βιβλιογραφική Ανασκόπηση
Σχήμα 2.10 Διάγραμμα Εφαρμογών Ασύρματων Τεχνολογιών [15]
Δρομολόγηση και Γνωστοποίηση Δεδομένων
Τα πρωτόκολλα δρομολόγησης για τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων εμπίπτουν σε
τρεις κατηγορίες: επικεντρωμένα σε δεδομένα, ιεραρχικά και βασισμένα στην τοποθεσία. Το
θέμα της συσσωμάτωσης δεδομένων είναι να συνδυαστούν τα δεδομένα που καταφθάνουν από
διαφορετικές πήγες. Αυτό επιτρέπει την εξάλειψη της επανάληψης, την ελαχιστοποίηση των
αριθμών αναμετάδοσης και έχει ως αποτέλεσμα την μείωση της κατανάλωσης ενέργειας.
Οργάνωση δικτύου και εντοπισμός
Οι τομείς ενδιαφέροντος που περιλαμβάνουν την οργάνωση του δικτύου και τον
εντοπισμό περιλαμβάνουν διαχείριση διανεμημένων ομάδων. Η
Αυτό-οργάνωση,
συμπεριλαμβανομένης της πιστοποίησης, βοηθά στην καταγραφή και καθιέρωση τομέα. Ο
εντοπισμός μονάδων περιλαμβάνει: εντοπισμό στόχου και ταξινόμηση. Η δυναμική κατανομή
είναι, επίσης, πολύ ενδιαφέρουσα.
27
Κεφάλαιο 2 – Βιβλιογραφική Ανασκόπηση
Υπολογισμός
Έχει να κάνει με την συσσωμάτωση δεδομένων, σύμπτυξη, ανάλυση και υπολογιστική
ιεραρχία καθώς και επεξεργασία σήματος.
Διαχείριση δεδομένων
Ασχολείται
με
τις
αρχιτεκτονικές
δεδομένων,
διαχείριση
βάσεων,
συμπεριλαμβανομένων μηχανισμών ζήτησης, αποθήκευση δεδομένων. Σε ένα παραδοσιακό
περιβάλλον τα δεδομένα συλλέγονται σε ένα κεντρικό server για αποθήκευση, αντίθετα με τη
ζήτηση.
Ασφάλεια
Η ασφάλεια ασχολείται με την εμπιστευτικότητα, ακεραιότητα και διαθεσιμότητα.
Θέματα σχεδίασης δικτύου
Η αξιόπιστη μετάδοση, το εύρος και η περιορισμένη ενέργεια μετάδοσης, η
δρομολόγηση με βάση τα δεδομένα, η επεξεργασία μέσα στο δίκτυο και η αυτόπαραμετροποίηση είναι θέματα αυτού του τομέα.
2.5 IEEE 802.15.4 : Zigbee
Σύμφωνα με τους J.A. Gutierrez, E.H. Callaway, R.L. Barrett [16] η ιδέα για ασύρματα
δίκτυα PAN υφίσταται εδώ και αρκετά χρονιά, αλλά ήρθε στο προσκήνιο με τη δημιουργία
του IEEE 802.15. Η αρχική προσπάθεια ήταν επικεντρωμένη στην δημιουργία του IEEE
802.15.1 πρότυπου που βασιζόταν στην τεχνολογία Bluetooth. Με τη δημιουργία της ομάδας
802.15 μια μεγάλη κοινότητα τεχνολόγων, επιστημόνων και οραματιστών εντάθηκε στην IEEE
Standards Association για να μοιραστεί τις απόψεις για μικρής εμβελείας ασύρματα δίκτυα,
οπού χρειαζόταν ελάχιστη ή και καθόλου δικτυακή δομή.
Αμέσως, η κοινότητα οργανώθηκε σε τρεις διαφορετικές υπό-ομάδες με διαχωρισμένες
απαιτήσεις. Η πρώτη ήταν στραμμένη στο αυθεντικό Bluetooth για την αντικατάσταση του
καλωδίου για ηλεκτρονικές συσκευές. Η δεύτερη ήταν επικεντρωμένη στη γρήγορη μετάδοση,
που οδηγούνταν από την ασύρματη συνδεσιμότητα σε συσκευές πολυμέσων και
δημιουργήθηκε το IEEE 802.15.3. Το 2000 ανακοινώθηκε επίσημα η δημιουργία ενός νέου
σχεδίου προς ανάπτυξη για χαμηλά επίπεδα ρυθμού μετάδοσης που θα ονομαζόταν IEEE
802.15.4. Ο στόχος αυτού του σχεδίου ήταν ο ορισμός ενός προτύπου με χαμηλή
πολυπλοκότητα, χαμηλό κόστος και πολύ χαμηλή κατανάλωση ισχύος για συνδεσιμότητα
μεταξύ έτοιμων, φορητών και σταθερών συσκευών. Η απλότητα ήταν το βασικό στοιχείο της
ανάπτυξης.
28
Κεφάλαιο 2 – Βιβλιογραφική Ανασκόπηση
Το πρότυπο 802.15.4 είναι σχεδιασμένο για εφαρμογές με χαμηλή απαίτηση σε
ρυθμούς μετάδοσης και σε καθυστέρηση, ενώ ευνοεί το χαμηλό κόστος και χαμηλής
κατανάλωσης σχέδιο. Αυτά τα χαρακτηριστικά βοήθησαν στην εφαρμογή της ασύρματης
τεχνολογίας σε εφαρμογές όπως βιομηχανία, κατοικία, γεωργία και ιατρική.
‘Η ομάδα 802.15.4 επικεντρώνεται στην προτυποποίηση των δυο χαμηλότερων επιπέδων
του πρωτόκολλου στοίβας ISO/OSI. Τα άλλα επίπεδα ορίζονται κανονικά από βιομηχανικούς
συνεταιρισμούς όπως η Zigbee Alliance’.[14]
‘Τα ασύρματα τοπικά δίκτυα (WLAN) δημιουργήθηκαν ως επέκταση του πρότυπου IEEE
802 του ενσύρματου τοπικού δικτύου που σχεδιάστηκε για δικτύωση δεδομένων. Ανάμεσα στις
απαιτήσεις του συστήματος ήταν η προώθηση μηνυμάτων, η μεγαλύτερη δυνατή εμβέλεια και η
χωρητικότητα για μεγάλο αριθμό συσκευών. Σε αντίθεση τα WPAN σχεδιαστήκαν για να
λειτουργούν σε προσωπικό χώρο λειτουργίας (ΡΟS), επεκτείνοντας πάνω από 10 μετρά σε όλες
τις κατευθύνσεις και καλύπτοντας τη τριγύρω περιοχή από ένα άτομο, είτε στατικά είτε εν
κινήσει.
Τα WPAN χρησιμοποιούνται για να περνούν πληροφορίες σε σχετικά κοντινές
αποστάσεις ανάμεσα στους συμμετέχοντες πομποδέκτες. Σε αντίθεση με τα WLAN, οι συνδέσεις
που γίνονται μεταξύ WPAN δεν απαιτούν δικτυακή δομή. Αυτό επιτρέπει την υλοποίηση μικρών,
με καλή διαχείριση ενέργειας, φθηνών συσκευών’. [16]
Σχήμα 2.11 Διάγραμμα Ρυθμού Μετάδοσης – Εμβέλειας Ασύρματων Τεχνολογιών [17]
29
Κεφάλαιο 2 – Βιβλιογραφική Ανασκόπηση
2.5.1 Εισαγωγή στα Χαρακτηριστικά του IEEE 802.15.4 : Zigbee
‘Ο πυρήνας του συστήματος Zigbee αποτελείται από έναν πομποδέκτη RF και το
πρωτόκολλο στοίβας. Το σύστημα προσφέρει υπηρεσίες χαμηλού ρυθμού μετάδοσης, που
ενεργοποιούν τη σύνδεση πιθανών κινητών χαμηλής πολυπλοκότητας συσκευών, βασισμένα στον
εντοπισμό πολλαπλής πρόσβασης, με φέρον και τεχνική αποφυγής σύγκρουσης στο κανάλι’. [14]
Φυσικό επίπεδο του Zigbee (PHY)
‘Η σχεδίαση του φυσικού επίπεδου οδηγείται από την ανάγκη για χαμηλό κόστος, σωστή
χρήση ενέργειας φυσικό επίπεδο για εφαρμογές με απαιτήσεις χαμηλού κόστους και χαμηλού
ρυθμού μετάδοσης και εφαρμογές ελέγχου. Υπό το πρότυπο ΙΕΕΕ 802.15.4, οι ασύρματες ζεύξεις
λειτουργούν σε τρεις μη επικυρωμένες συχνότητες: 858 MHz, 902 ως 928 MHz και 2400 MHz.
Βασισμένο σ’ αυτές τις μπάντες συχνοτήτων, το πρότυπο 802.15.4 ορίζει τρία φυσικά μέσα:
1. Συνεχούς αλληλουχίας φάσμα με χρήση BPSK και λειτουργία στα 868 MHz και σε ρυθμό
μετάδοσης 20 kbps.
2. Συνεχούς αλληλουχίας φάσμα με χρήση BPSK και λειτουργία στα 915 MHz και σε ρυθμό
μετάδοσης 40 kbps.
3. Συνεχούς αλληλουχίας φάσμα με χρήση O-QPSK και λειτουργία στα 2400 MHz και σε
ρυθμό μετάδοσης 140 kbps’.[15]
Παράμετρος
Ευαισθησία στο 1% PER
Μέγιστο επίπεδο εισόδου
δεκτή
Παρακείμενη απόρριψη
καναλιού
Εναλλακτική απόρριψη
καναλιού
Ισχύς εξόδου, χαμηλότερο
μέγιστο
Ακρίβεια Διαμόρφωσης
μετάδοσης
Αριθμός καναλιών
Απόσταση καναλιών
Ρυθμοί μετάδοσης
Μετάδοση δεδομένων
Μετάδοση σύμβολων
Chip/rate
Διαμόρφωση chip
RX-TX and TX-RX
2.4 GHz PHY
-85dBm
-20 dBm
868/915 MHz PHY
-92dBm
0 dB
30 dB
-3 dBm
EMV<35% για 1000 chips
16
5 MHz
250kbps
62.5 kilosymbols/sec
2 megachip/sec
O-QPSK με MKS
1/10
NA/2 MHz
20/40 kilosymbols/sec
300/60 kilochip/sec
BPSK με παλμό ανυψωμένου
συνημίτονου
12 symbols
Σχήμα 2.12 Πίνακας Χαρακτηριστικών Φυσικού Επιπέδου Προτύπου ΙΕΕΕ 802.15.4
30
Κεφάλαιο 2 – Βιβλιογραφική Ανασκόπηση
MAC – Layer
Σύμφωνα με τον προσδιορισμό της Zigbee Alliance[18], το IEEE 802.15.4 MAC-layer
ενσωματώνει στο σχεδιασμό του μοναδικά χαρακτηριστικά για την ευέλικτη ρύθμιση του
δικτύου, αλλά και για χαμηλού κόστους λειτουργία . Αυτά τα χαρακτηριστικά περιλαμβάνουν:
•
Υποστήριξη για διαφορές τοπολογίες δικτύου και δικτυακές συσκευές
•
Τη δυνατότητα επιλογής μιας δομής, η οποία επιτρέπει τον έλεγχο του κύκλου
λειτουργίας της συσκευής δικτύου
•
Υποστήριξη για άμεση και έμμεση εκπομπή δεδομένων.
•
Μεθόδους ελέγχου πρόσβασης των μέσων, με βάση την αίτηση πρόσβασης ή την
προγραμματισμένη πρόσβαση
•
Μεθόδους λειτουργιάς Beaconed – Unbeaconed
•
Αποτελεσματικό τρόπο διαχείρισης της ενέργειας για εκτεινόμενη ζωή της μπαταριάς,
όποιος περιλαμβάνει λειτουργία Sleep για εκτεταμένο χρόνο
•
Ευέλικτος τρόπος διευθυνσιοδότηση. Υποστήριξη θεωρητικά μέχρι και 65,000
κόμβους ανά δίκτυο.
Τύποι συσκευών και Τοπολογίες Δικτύου
Για να υλοποιηθεί το πρωτόκολλο MAC, το πρότυπο διαχωρίζει τις συσκευές με βάση
την πολυπλοκότητα του υλικού που διαθέτουν και τις δυνατότητες. Ως επακόλουθο έχουμε 2
γενικές κατηγορίες συσκευών: τις συσκευές πλήρους λειτουργίας (full-function device-FFD)
και τις συσκευές περιορισμένης λειτουργίας (reduced-function device-RFD).
Βασισμένο σ’ αυτούς τους τύπους φυσικής συσκευής, το Zigbee ορίζει μια ποικιλία
από λογικούς τύπους συσκευών. Αυτές οι λογικές συσκευές διαχωρίζονται με βάση τις
φυσικές δυνατότητες και το ρολό που παίζουν στο δίκτυο. Υπάρχουν δηλαδή τριών ειδών
λογικές συσκευές:
1. Network Coordinator: είναι συσκευή τύπου FFD και είναι υπεύθυνη για την
εγκατάσταση του δικτύου και τον έλεγχο. Είναι υπεύθυνη για την επιλογή των
παραμέτρων και τη διαμόρφωση του δικτύου καθώς και για την έναρξη. Τέλος
αποθηκεύει πληροφορίες για το δίκτυο και δρα ως πηγή κλειδιών ασφαλείας.
Διαχειρίζεται μια λίστα από τις συσκευές του δικτύου, ανταλλάσσει δεδομένα με τις
διαφορές συσκευές, μοιράζει διευθύνσεις 16-bit μικρού μήκους, οι οποίες
χρησιμοποιούνται από τις συνδεδεμένες συσκευές, αντί της 64-bit διεύθυνσης, που τα
χαρακτηρίζει για άμεση επικοινωνία. Στέλνει αναγνωριστικά πλαίσια (beacon frames)
σε περιοδική βάση, που περιέχουν διαφορές παραμέτρους του δικτύου.
31
Κεφάλαιο 2 – Βιβλιογραφική Ανασκόπηση
2. Router: είναι συσκευή FFD που υποστηρίζει τη λειτουργία δρομολόγησης
συμπεριλαμβανομένων της διαμεσολάβησης για μετάδοση δεδομένων και του δικτύου
και την προώθηση μηνυμάτων ανάμεσα σε απομακρυσμένες συσκευές με πολλαπλές
αναπηδήσεις.
3. End-Devices: είναι συσκευή RFD, που περιέχει αρκετές λειτουργιές για επικοινωνία με
τη συσκευή γονέα, που μπορεί να είναι είτε ο coordinator ή ένας router. Δεν έχει τη
δυνατότητα να μεταδίδει μηνύματα σε άλλες end devices.
Τοπολογίες
Σύμφωνα με τον προσδιορισμό της Zigbee Alliance[18], τα δίκτυα PAN μπορούν να
οργανωθούν σε μια από τρεις δυνατές τοπολογίες: star, mesh, cluster tree.
Star: Η τοπολογία Star υποστηρίζει έναν μόνο coordinator και μέχρι και 65,536
συσκευές. Σ΄ αυτήν την τοπολογία μια από τις FFD συσκευές ορίζεται ως coordinator. Όλες οι
υπόλοιπες συσκευές ορίζονται ως end-devices. Ο coordinator είναι υπεύθυνος για την έναρξη
του δικτύου αλλά και για τη διατήρηση των end-device στο δίκτυο. Όταν το δίκτυο βρίσκεται
σε λειτουργία, τα end-device μπορούν να επικοινωνούν μόνο με τον coordinator.
Mesh: Η τοπολογία Mesh επιτρέπει την επικοινωνία από οποιαδήποτε συσκευή (source
device) σε οποιαδήποτε άλλη συσκευή (destination device) του δικτύου, χρησιμοποιώντας
αλγορίθμους (tree and table-driven) για τη δρομολόγηση. Σ΄ αυτήν την τοπολογία ο
coordinator και ο router θα πρέπει να είναι FFD συσκευές.
Cluster tree: Η τοπολογία Cluster tree επιτρέπει τη δημιουργία peer-to-peer δικτύου,
χρησιμοποιώντας βέλτιστη δρομολόγηση, αλλά και δρομολόγηση πολλαπλών αναπηδήσεων
(multihop). Κύριο χαρακτηριστικό της είναι η αυτό-οργάνωση (self-organized), αυτόεπιδιόρθωση (self-repair) αλλά και η μεγάλη ανοχή σε σφάλματα.
Κάθε δίκτυο PAN ορίζεται μοναδικά από ένα 16bit αναγνωριστικό: PAN-ID. Οι
σκευές του δικτύου αναγνωρίζονται και αυτές μοναδικά ή με την 16bit ή με την 64bit
Διεύθυνση τους. Τέλος, κάθε δίκτυο PAN έχει μόνον έναν coordinator.
32
Κεφάλαιο 2 – Βιβλιογραφική Ανασκόπηση
Σχήμα 2.13 Τοπολογίες Δικτύου Zigbee [19]
Τύποι Πλαισίων
Η τυπική διαμόρφωση του πλαισίου MAC του πρότυπου σύμφωνα με την Zigbee
Alliance αποτελείται από τρία βασικά συστατικά: MAC header, MAC payload και MAC
footer.
Το πρότυπο ορίζει τέσσερις βασικούς τύπους πλαισίων: beacon frame, data frame,
acknowledgment frame, MAC command frame. Το πλαίσιο beacon μεταδίδεται περιοδικά από
τον coordinator. Εξυπηρετεί διάφορους σκοπούς, όπως αναγνώριση δικτύου και δομή,
ξύπνημα συσκευών από διαδικασία ύπνου και συγχρονισμό διαδικασιών δικτύου.
Το πλαίσιο data μεταφέρει ένα φορτίο από πάνω από 104 bytes. Κάθε πλαίσιο
μεταφέρει μια ακολουθία αριθμών και ορίζει το πλαίσιο μοναδικά.
Το πλαίσιο acknowledgment χρησιμοποιείται από τον δεκτή για να επιβεβαιώσει την
αποδοχή ενός πλαισίου data.
Το πλαίσιο MAC Command χρησιμοποιείται από τις οντότητες του MAC σε
διαφορετικές συσκευές για επικοινωνία και διαπραγμάτευση.
Σχήμα 2.14 Χαρακτηριστικό Πλαίσιο [14]
33
Κεφάλαιο 2 – Βιβλιογραφική Ανασκόπηση
Τρόποι λειτουργίας
Το πρωτόκολλο IEEE 802.15.4 MAC έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να μπορεί να
ανταπεξέρχεται σε διάφορους τύπους δεδομένων, που αφορούν την κίνηση του δικτύου (data
traffic). Το πρότυπο έχει ορίσει τους εξής τρεις:
Περιοδικά δεδομένα (Periodic Data): Τέτοιου είδους δεδομένα συναντάμε σε
εφαρμογές οπού μια συσκευή δικτύου βρίσκεται σε δυο καταστάσεις: Ενεργή – Ανενεργή.
Στην ενεργή κατάσταση στέλνει δεδομένα, ενώ στην ανενεργή μπαίνει σε λειτουργία sleep.
Διακοπτόμενα δεδομένα (Intermittent Data): Η αποστολή και λήψη δεδομένων
εξαρτάται από μια εξωτερική διέγερση.
Μικρής καθυστέρησης επαναλαμβανόμενα δεδομένα (Repetitive low-latency data):
Τέτοιου είδους δεδομένα συναντάμε σε κρίσιμες εφαρμογές, στις οποίες χρειάζεται ειδική
κατανομή του χρόνου, ώστε τα δεδομένα να φτάσουν μέσα στο χρονικό όριο που ορίζεται.
Για να μπορέσουν να συμπεριληφθούν αυτοί οι τύποι δεδομένων, το πρότυπο ορίζει
δυο τρόπους λειτουργίας:
•
Beacon Mode Operation: Αυτός ο τρόπος λειτουργίας επιτρέπει τις συσκευές ενός
δικτύου να συγχρονίσουν τις δράσεις και την επικοινωνία μεταξύ τους. Μια συσκευή
δικτύου επανέρχεται από την ανενεργή κατάσταση και ζητεί από τον coordinator, αν
υπάρχουν διαθέσιμα μηνύματα γι΄ αυτόν. Αν δεν υπάρχουν διαθέσιμα μηνύματα,
μπαίνει πάλι στην ανενεργή λειτουργία. Ο coordinator μπορεί να μπει και αυτός στην
ανενεργή λειτουργία, αν τελειώσει την επικοινωνία με όλες της συσκευές του δικτύου.
•
Beaconless Mode of Operation: Τέτοιου είδους λειτουργία συναντάμε, όταν οι
συσκευές του δικτύου επανέρχονται από την ανενεργή κατάσταση, ανά τακτά χρονικά
διαστήματα, ή ακόμα, και σε τυχαία χρονικά διαστήματα. Ο coordinator βρίσκεται
πάντα σε λειτουργία και συνήθως σε αδιάλειπτη παροχή ενέργειας. Δε στέλνει
αναγνωριστικά σήματα. Αυτού του είδους λειτουργία δεν υποστηρίζει «κατανομή
χρόνου (time slot allocation)» για μικρής καθυστέρησης επαναλαμβανόμενα δεδομένα
(Repetitive low-latency data).
Ασφάλεια
Η ασφάλεια και η ακεραιότητα των δεδομένων αποτελούν βασικά προνόμια της
τεχνολογίας Zigbee. Το Zigbee ενδυναμώνει το μοντέλο ασφαλείας που ορίζει το υπό-επίπεδο
MAC του πρότυπου IEEE 802.15.4 το οποίο ορίζει τέσσερις υπηρεσίες ασφάλειας:
•
Έλεγχος πρόσβασης. Η συσκευή διατηρεί μια λίστα από έμπιστες συσκευές μέσα στο
δίκτυο.
•
Κρυπτογράφηση δεδομένων με χρήση του πρότυπου εξελιγμένης κρυπτογράφησης με
συμμετρικό κλειδί 128-bit.
34
Κεφάλαιο 2 – Βιβλιογραφική Ανασκόπηση
•
Ακεραιότητα πλαισίου για προστασία μετατροπής δεδομένων από οντότητες χωρίς
κρυπτογραφικό κλειδί.
•
Ακολουθιακή
«φρεσκότητα»
για
απόρριψη
πλαισίων
δεδομένων
που
επαναλαμβάνονται. Ο ελεγκτής του δικτύου συγκρίνει την τιμή της «φρεσκότητας» με
την τελευταία γνωστή τιμή από την συσκευή και την απορρίπτει, σε περίπτωση που η
τιμή δεν έχει ανανεωθεί.
Η ασφάλεια που χρησιμοποιείται ορίζεται από τον υπεύθυνο για την υλοποίηση,
χρησιμοποιώντας το προτυποποιημένο εργαλείο ασφάλειας της Zigbee.
Συνύπαρξη
Οι χρήστες και οι σχεδιαστές του πρότυπου 802.15.4 πρέπει να γνωρίζουν κάποιους
παράγοντες που μπορεί να επηρεάσουν την απόδοση των συστημάτων τους από την
αλληλεπίδραση με τον «έξω κόσμο». Δυο από αυτούς τους παράγοντες είναι η συνύπαρξη των
προϊόντων του πρότυπου 802.15.4 με άλλους χρήστες του φάσματος της ραδιοσυχνότητας και
η διεπαφή διαφορετικών πρωτοκόλλων επικοινωνίας.
‘Λόγω των μη καταχωρημένων συχνοτήτων που χρησιμοποιούνται από τα δυο επίπεδα
PHY του προτύπου σε όλες τις χώρες, υπάρχουν συσκευές που απασχολούν άλλα πρωτόκολλα
επικοινωνίας και μοιράζονται τις μπάντες. Στην μπάντα των 868 MHz υπάρχουν ιδιόκτητα
πρωτόκολλα χαμηλού ρυθμού μετάδοσης. Στην μπάντα των 915 MHz υπάρχουν ιδιόκτητα
πρωτόκολλα για ασύρματα τηλεφωνά. Τέλος στα 2.4 GHz λειτουργούν ασύρματα τηλεφωνά,
μικροκύματα, WLAN και άλλα PAN. Στις πιο πολλές περιοχές λειτουργίας, οι συσκευές που
λειτουργούν σ’ αυτές τις μπάντες πρέπει να μπορούν δέχονται παρεμβάσεις από άλλες συσκευές
που λειτουργούν στην ιδία μπάντα και των οποίων οι χρήστες δεν έχουν νόμιμη κάλυψη για κάθε
λειτουργική υπολειτουργία που προκαλείται από άλλες υπηρεσίες’. [16]
Σύμφωνα με τους J.A. Gutierrez, E.H. Callaway, R.L. Barrett [16] η ελαχιστοποίηση
της παρέμβασης επιτυγχάνεται ως εξής:
•
Χαμηλή ισχύος μετάδοσης
•
Σαφής διαχωρισμός καναλιών, Σχήμα
•
Επιλογή Καναλιών. Με την έναρξη του δικτύου σαρώνονται από τον coordinator τα
διαθέσιμα κανάλια και αυτά με τη λιγότερη κίνηση.
•
Σαφής Εκτίμηση Καναλιών. Προτού να γίνει εκπομπή μιας πληροφορίας, ο μηχανισμός
CSMA/CA εκτελεί εκτίμηση των διαθέσιμων καναλιών (CCA).
•
Χρήση Τεχνικών Επέκτασης Φάσματος. Το πρότυπο επεκτείνει τη μετάδοση
δεδομένων των 250 kbps σ’ ένα εύρος ζώνης μεγαλύτερο από 2 MHz.
35
Κεφάλαιο 2 – Βιβλιογραφική Ανασκόπηση
•
Ένδειξη Ποιότητας Ζεύξης. Σε κάθε πακέτο που λαμβάνεται εκτελείται έλεγχος
ποιότητας ζεύξης (Signal Strength, SNR) και ενημερώνονται τα ανώτερα επίπεδα για
την κατάσταση του καναλιού, έτσι ώστε η συσκευή να κάνει ανάλογα την δυναμική
επιλογή του καναλιού.
Σχήμα 2.15 Συνύπαρξη Καναλιών στα 2.4 GHz [20]
Στο παρακάτω σχήμα φαίνετε μια ανάλυση ισχύος στην συχνότητα των 2,4GHz σε ένα
καθημερινό περιβάλλον.
Σχήμα 2.16 Συνύπαρξη και Παρεμβολή στα 2.4 GHz
36
Κεφάλαιο 3 – Μεθοδολογία
Κεφάλαιο 3
Μεθοδολογία
Αυτό το κεφάλαιο έχει ως σκοπό να παρουσιάσει την μεθοδολογία που ακολουθήθηκε
για την επιτυχή ολοκλήρωση του project. Στο κεφάλαιο αυτό περιλαμβάνονται η μελέτη, η
σχεδίαση και η υλοποίηση του συστήματος, ως οι τρεις φάσεις της όλης διαδικασίας. Ένας
κατά προσέγγιση κύκλος ζωής ενός project φαίνετε στο παρακάτω σχήμα.
Σχήμα 3.0 Κατά προσέγγιση κύκλος ζωής ενός project
3.1 Μελέτη Συστήματος
Στην πρώτη φάση της μελέτης του συστήματος ήταν αναγκαία μια εκτενής έρευνα στα
ήδη υπάρχοντα εμπορικά προϊόντα που αφορούν έξυπνα σπίτια. Μετά από ανάλυση και
μελέτη των εμπορικών εφαρμογών προέκυψε η γενική δομή ενός συστήματος οικιακού
αυτοματισμού. Τα δομικά στοιχεία του συστήματος που προέκυψαν είναι: μια κεντρική
μονάδα ελέγχου, κόμβοι ενεργοποίησης και αισθητήρων και το δίκτυο. Με βάση αυτά τα τρία
δομικά στοιχεία, η έρευνα συνεχίστηκε, για την καταλληλότερη επιλογή των στοιχείων αυτών,
με βάση τις διαθέσιμες τεχνολογίες.
37
Κεφάλαιο 3 – Μεθοδολογία
3.1.1 Δομή Συστήματος Οικιακού Αυτοματισμού
Τα δομικά στοιχεία που απαιτούνται για επεξεργασία διεργασιών ελέγχου στα
συστήματα αυτοματισμού οργανώνονται ιεραρχικά. Μια τυπική αρχιτεκτονική οικιακού
αυτοματισμού είναι αυτή που φαίνεται στο Σχήμα 3.1.
Τα αισθητήρια είναι απαραίτητα για την συλλογή δεδομένων του συστήματος (σπίτι),
ενώ οι ενεργοποιητές πραγματοποιούν τις εντολές εξόδου του λειτουργικού συστήματος. Το
δίκτυο συνδέει τους αισθητήρες και τους ενεργοποιητές με τους άμεσους ψηφιακούς ελεγκτές
(DDC), που ελέγχουν και διαμορφώνουν τα συστήματα. Εναλλακτικά αν χρειάζεται υψηλού
επιπέδου έλεγχος, τότε οι DDCs συνδέονται άμεσα μ’ έναν υπολογιστή ελέγχου.
Σχήμα 3.1 Δομή Συστήματος Οικιακού Αυτοματισμού
3.1.2 Κεντρική Μονάδα Ελέγχου
Σύμφωνα και με τη βιβλιογραφική αναφορά, οι διαθέσιμες μονάδες ελέγχου είναι οι
εξής: ψηφιακά κυκλώματα ειδικού σκοπού, ψηφιακά κυκλώματα που περιλαμβάνουν PLD,
ολοκληρωμένα κυκλώματα εξειδικευμένων εφαρμογών (ASIC), μικροελεγκτές ειδικών και
γενικών εφαρμογών και προγραμματιζόμενοι λογικοί ελεγκτές (PLC).
Λόγω της φύσης της εφαρμογής που έπρεπε να υλοποιηθεί, τα PLC και τα ψηφιακά
κυκλώματα ειδικού σκοπού αποκλείστηκαν από τις διαθέσιμες επιλογές. Στο Σχήμα 3.2
αντιπαρατίθενται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των τριών υποψήφιων μονάδων
ελέγχου.
Σχήμα 3.2 Πίνακας Σύγκρισης Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων
38
Κεφάλαιο 3 – Μεθοδολογία
Σημαντικό ρόλο στην επιλογή της κεντρικής μονάδας ελέγχου έπαιξαν οι εξής παράγοντες:
•
Προγραμματισμός και επαναπρογραμματισμός
•
Περιφερειακά
•
Συσκευασία
•
Μνήμη
Συμπληρωματικά, οι ανάγκες του συστήματος που υλοποιήθηκε για χαμηλό κόστος, μικρό
χρόνο υλοποίησης καθώς και οι σχετικά χαμηλές απαιτήσεις του συστήματος σε επιδόσεις
οδήγησαν στην επιλογή, ως κεντρικής μονάδας ελέγχου, ενός μικροελεγκτή.
Επιλογή Μικροελεγκτή
Συμφώνα και με τη βιβλιογραφική αναφορά, σε κάθε οικογένεια μικροελεγκτών
υπάρχουν μέλη, το καθένα με διαφορετικό συνδυασμό χαρακτηριστικών και επιλογών. Γι’
αυτό το λόγο η επιλογή έγινε με βάση έκδοση, που ταιριάζει καλύτερα με τις απαιτήσεις της
διεργασίας και του συστήματος.
Τα βασικά κριτήρια επιλογής του μικροελεγκτή ήταν τα εξής:
•
Μήκος Λέξης. Οι απαιτήσεις ενός τυπικού συστήματος οικιακού αυτοματισμού δεν
είναι υψηλές, και έτσι, με γνώμονα τις χαμηλές απαιτήσεις αλλά και το χαμηλό κόστος,
επιλέχτηκε η χρήση 8-bit μικροελεγκτή, επειδή ένας 4-bit μικροελεγκτής θεωρήθηκε
πολύ περιορισμένος.
•
Διαθέσιμη μνήμη προγράμματος (FLASH). Επειδή η υλοποίηση ενός συστήματος
οικιακού αυτοματισμού απαιτεί την επίλυση πολλών αλγοριθμικών προβλημάτων και
τη διαχείριση πολλών διεργασιών, θεωρήθηκε απαραίτητο ο μικροελεγκτής να διαθέτει
αρκετή μνήμη προγράμματος, της τάξεως των 30 Kbytes, επειδή δεν ήταν γνωστό εξ'
αρχής το μέγεθος του κώδικα που θα προέκυπτε.
•
Διαθέσιμη μνήμη δεδομένων (SRAM). Σύμφωνα και με τα παραπάνω, θεωρήθηκε
επιθυμητό να υπάρχει αρκετή διαθέσιμη μνήμη δεδομένων, της τάξεως των 4 Kbytes.
•
Ποσότητα pins Εισόδου/Εξόδου. Ένα από τα βασικά κριτήρια επιλογής ήταν η
συνδεσιμότητα του μικροελεγκτή με το εξωτερικό περιβάλλον. Κύριο μέλημα ήταν η
εξασφάλιση αρκετών διανυσμάτων διακοπών, για τη συνεργασία του μικροελεγκτή με
εξωτερικούς παράγοντες.
•
Γλώσσα Προγραμματισμού. Η επαρκής γνώση της γλώσσας C και C++ κατέστησε
υποχρεωτική την απόκτηση ενός μικροελεγκτή, για τον οποίο να υπάρχει κατάλληλο
λογισμικό ανάπτυξης συμβατό με την γλώσσα C/C++.
39
Κεφάλαιο 3 – Μεθοδολογία
•
Διαθεσιμότητα και δημοτικότητα. Βασικός παράγοντας στην επιλογή του
μικροελεγκτή ήταν να υπάρχει διαθεσιμότητα στην αγορά στο παρόν και στο προσεχές
μέλλον, αλλά, επίσης, να υπάρχει και πληθώρα προμηθευτών που τον εμπορεύονται,
ώστε να μην υπάρχει πρόβλημα, σε περίπτωση που χρειαζόταν άμεση αντικατάσταση.
3.1.3 Δίκτυο – Πρωτόκολλο Επικοινωνίας
Τα δίκτυα επικοινωνίας χωρίζονται σε δυο κατηγορίες: τα ενσύρματα και τα ασύρματα.
Στα ενσύρματα δίκτυα εντάσσονται τα εξής διαδεδομένα πρωτοκόλλα:
•
EIB/KNX
•
Ethernet
•
X-10
•
DigitalStrom
•
Insteon
•
HomeMatic wired System
Ενώ στα ασύρματα δίκτυα:
•
KNX RF
•
Z-Wave
•
Zigbee
•
HomeMatic
•
Insteon RF
Ως γνωστόν, τα ενσύρματα δίκτυα παρέχουν αξιόπιστη επικοινωνία καθώς και εύκολη
πρόσβαση σε αδιάλειπτη παροχή ενέργειας, με κόστος, βέβαια, τον περιορισμό στην
τοποθέτηση των κόμβων του δικτύου και την ανάγκη χρήσης πολλών μέτρων καλωδίων.
Επίσης, η τοποθέτηση ενσύρματου δικτύου είναι εύκολη, μόνο όταν το σπίτι βρίσκεται σε
αρχικό στάδιο κατασκευής. Τα ασύρματα δίκτυα από την πλευρά τους προσφέρουν ελευθερία
στην επιλογή τοποθεσίας των κόμβων, αλλά με κόστος την πιο αναξιόπιστη μετάδοση
επικοινωνίας, και πολλές φορές, τη δυσκολία εύρεσης παροχής τροφοδοσίας. Βέβαια, με την
συνεχώς αυξανόμενη βελτίωση των πρωτοκόλλων επικοινωνίας και τις εξελιγμένες
καταστάσεις sleep και standby, τα προβλήματα αυτά εξαλείφονται με το χρόνο.
Με γνώμονα, λοιπόν, όλα αυτά αποφασίστηκε η επιλογή ασύρματου δικτύου. Για την
επιλογή πρωτοκόλλου ανάμεσα σ’ αυτά που εντάσσονται στα ασύρματα δίκτυα, βασικός
παράγοντας επιλογής ήταν το πρωτόκολλο να είναι open-standard. Το μόνο πρωτόκολλο που
40
Κεφάλαιο 3 – Μεθοδολογία
πληρούσε αυτήν την προδιαγραφή ήταν το Zigbee, σε αντίθεση με τα KNX-RF και Z-Wave,
που αποτελούν τα πιο διαδεδομένα από τα ασύρματα πρωτόκολλα, τα πιο απλοϊκά και τα πιο
οικονομικά.
Παρά την ύπαρξη και άλλων διαθέσιμων open-standards, όπως φαίνεται στο παρακάτω
σχήμα, το πρωτόκολλο Zigbee ήταν προφανώς το ιδανικότερο για την παρούσα εφαρμογή.
Σχήμα 3.3 Πίνακας Σύγκρισης Δικτύων
3.1.4 ZigBee Transceivers
Πολλές εταιρείες μέλη της Zigbee Alliance αναπτύσσουν ολοκληρωμένα κυκλώματα
και μονάδες (modules), που υλοποιούν το Zigbee πρωτόκολλο, όπως θα δούμε στις
υποενότητες που ακολουθούν. Συνεχώς βγαίνουν νέα προϊόντα, για να καλύψουν πιο
απαιτητικές εφαρμογές ή για να διευκολύνουν τους μηχανικούς κατά την υλοποίηση. Στην
ενότητα 1.4 αναφέραμε ότι η Zigbee Alliance στηρίχθηκε στα επίπεδα PHY και MAC του
ΙΕΕΕ 802.15.4 για να δημιουργήσει το Zigbee. Με τον ίδιο τρόπο ορισμένες εταιρείες για να
απλοποιήσουν τα πράγματα περισσότερο, ανέπτυξαν δικά τους «μικρά» πρωτόκολλα. Για
παράδειγμα η Texas Instruments έχει το SimpliciTI, η Freescale το SMAC και η Microchip το
MiWi.
Atmel
Το ΑΤ86RF231 αποτελείται από μια βαθμίδα πομποδέκτη και μια βαθμίδα που
εξασφαλίζει την διασύνδεση του IC με έναν εξωτερικό Μικροελεγκτή μέσω SPI. Τα κυρία
χαρακτηριστικά του ΑΤ86RF231 είναι τα εξής:
41
Κεφάλαιο 3 – Μεθοδολογία
Performance
•
Power Output: -17 dBm up to +3 dBm
•
Receiver Sensitivity: -101 dBm
Power
•
Supply Voltage: 1.8 – 3.6 V DC
•
Transmit Current: 14 mA
•
Receive Current: 12.3 mA (at max transmit power)
•
Power-Down Sleep Current: 0.02 μA
Στο Σχήμα 3.1 φαίνονται όλα τα στοιχεία που συνθέτουν τις δύο βαθμίδες.
Freescale
Το νέο προϊόν της, είναι το MC13224V Zigbee τρίτης γενιάς. Το ολοκληρωμένο
χαρακτηρίζεται ως PiP και περιλαμβάνει χαμηλής ισχύος πομποδέκτη στα 2.4 GHz, Μίκροελεγκτή με πυρήνα ARM7 στα 32 bit, balun για την προσαρμογή της κεραίας με την έξοδο του
πομποδέκτη, μνήμη Flash 128 KB, RAM 96 KB, ROM 80 KB και τα περιφερειακά που
φαίνονται στο μπλοκ διάγραμμα του σχήματος 3.2 . Όλα σε ένα LGA κέλυφος 9.5mm x
9.5mm 99 ακροδεκτών. Τα κύρια χαρακτηριστικά του MC13224V είναι τα εξής:
Performance
•
Power Output: -30 dBm up to +4 dBm
•
Receiver Sensitivity: -100 dBm
Power
•
Supply Voltage: 2 – 3.6 V DC
•
Transmit Current: 29 mA
•
Receive Current: 22 mA (at max transmit power)
•
Power-Down Sleep Current: 0.85 μA
Το IC περιέχει και όλους τους απαραίτητους πυκνωτές απόζευξης.
42
Κεφάλαιο 3 – Μεθοδολογία
Digi
Η MaxStream έχει τα modules XBEE και XBEE PRO (σχήμα 3.3). Αποτελούν πλήρεις
μονάδες πομποδεκτών με δυνατότητα σύνδεσης σε Μικροελεγκτή και υποστηρίζουν τις
απαιτήσεις του 802.15.4 . Τα modules αυτά προγραμματίζονται με ΑΤ Commands. Το XBEE
έχει εμβέλεια 30m σε εσωτερικούς χώρους και 100m σε εξωτερικούς. Τα κύρια
χαρακτηριστικά του XBEE είναι τα εξής:
Performance
•
Power Output: 1mW (+0dBm)
•
Receiver Sensitivity: -92 dBm
Power
•
Supply Voltage: 2.8 – 3.4 V DC
•
Transmit Current: 45 mA
•
Receive Current: 55 mA
•
Power-Down Sleep Current: <10 μA
Microchip
Το MRF24J40 είναι το ολοκληρωμένο κύκλωμα Zigbee πομποδέκτη της Microchip.
Συνδέεται με εξωτερικό Μικροελεγκτή μέσω SPI. Μπορεί να φτάσει μια μέγιστη ταχύτητα
εκπομπής στα 625 kbps. Τα κύρια χαρακτηριστικά του MRF24J40 είναι τα εξής:
Performance
•
Power Output: 0 dBm
•
Receiver Sensitivity: -91 dBm
Power
•
Supply Voltage: 2.4 – 3.6 V DC
•
Transmit Current: 22 mA
•
Receive Current: 18 mA
•
Power-Down Sleep Current: 2 μA
43
Κεφάλαιο 3 – Μεθοδολογία
Texas Instruments
Η ΤΙ αναπτύσσει διάφορα ολοκληρωμένα για την υλοποίηση του Zigbee. Το CC2430
είναι το μοναδικό IC που συμπεριλάμβανε Μικροελεγκτή και πομποδέκτη μαζί. Βασικά
χαρακτηριστικά του CC2430 είναι τα εξής:
Performance
•
Power Output: 0 dBm
•
Receiver Sensitivity: -94 dBm
Power
•
Supply Voltage: 2 – 3.6 V DC
•
Transmit Current: 25 mA
•
Receive Current: 27 mA
•
Power-Down Sleep Current: 0.6 μA
Βασικό κριτήριο της επιλογής του πομποδέκτη ήταν η ευκολία χρήσης και
παραμετροποίησης, αλλά και το χαμηλό κόστος. Η εκτενής έρευνα στο διαδίκτυο έδωσε ως
αποτέλεσμα την επιλογή των RF Modules της Digi, XBEE, που ήταν πολύ προσιτά σε τιμή
αλλά, και όπως αποδεδείχθηκε, εύκολα στον προγραμματισμό και την παραμετροποίηση.
3.2 Σχεδίαση Συστήματος
Μετά την απόκτηση του απαραιτήτου υλικού, ακολούθησε η δεύτερη φάση της
μεθοδολογίας που συμπεριλάμβανε τη σχεδίαση και τη σύλληψη της γενικής ιδέας του
συστήματος. Σ΄ αυτήν την φάση, λοιπόν, κρίθηκε απαραίτητο να οριστούν τα τεχνικά
χαρακτηριστικά και οι προδιαγραφές του συστήματος.
3.2.1 Τεχνικά Χαρακτηριστικά
Σύστημα Ελέγχου
Ως σύστημα ελέγχου επιλέχτηκε ένας μικροελεγκτής AVR ATMega 2560 της εταιρείας
ATMEL με τα εξής χαρακτηριστικά:
•
8-bit
•
256 KΒytes of In System Self–Programmable Flash
•
4 kBytes EEPROM
44
Κεφάλαιο 3 – Μεθοδολογία
•
8 kBytes Internal SRAM
•
Two 8-bit Timers/Counters with Separate Prescaler and Compare Mode
•
Four 16-bit Timer/Counter with Separate Prescaler, Compare- and Capture Mode
•
Real Time Counter with Separate Oscillator
•
16-channel, 10-bit ADC
•
Four 8-bit PWM Channels - Twelve PWM Channels with Programmable Resolution
from 2 to 16 Bits
•
Four Programmable Serial USART
•
86 Programmable I/O Lines
Στο σύστημα ελέγχου ενσωματώθηκε Zigbee RF Module και πιο συγκεκριμένα το XBEE
PRO Series 2.5 της εταιρείας Digi με τα εξής χαρακτηριστικά:
•
Performance
o Power output: 10 mW (+10 dBm)
o Indoor/Urban range: Up to 300 ft (90 m)
o Outdoor/RF line-of-sight range: Up to 1 mile (1.6 km) RF LOS
o RF data rate: 250 Kbps
o Interface data rate: Up to 115.2 Kbps
o Operating frequency: 2.4 GHz
o Receiver sensitivity: -100 dBm (all variants)
•
Power
o Supply voltage: 2.8 - 3.4 VDC
o Transmit current: 215 mA (@ 3.3 V)
o Receive current: 55 mA (@ 3.3 V)
o Power-down sleep current: <10 µA at 25° C
•
General
o Frequency band: 2.4000 - 2.4835 GHz
o Interface options: 3V CMOS UART
45
Κεφάλαιο 3 – Μεθοδολογία
•
Physical Properties
o Size: 0.960 in x 1.297 in (2.438 cm x 3.294 cm)
o Weight: 0.10 oz (3g)
o Antenna: wired whip antenna
o Operating temperature: -40° C to 85° C (industrial)
Επιπλέον, στο σύστημα ελέγχου τοποθετήθηκε οθόνη για εποπτεία του συστήματος και
χειριστήριο για διαχείριση.
Τα χαρακτηριστικά της οθόνης:
•
STN type Graphic LCD
•
Resolution 128x64
•
LED Backlight
•
KS0108B parallel interface chipset
•
Dimensions
o Overall : 75x52.7 mm
o Viewable Area : 55.01x27.49 mm
Αισθητήρια – Διακόπτες
Για την συλλογή δεδομένων του συστήματος επιλέχτηκαν τα παρακάτω είδη αισθητήρων:
•
Αισθητήρας Κίνησης PIR
•
Αισθητήρας Φωτεινότητας (photo resistor)
•
Αισθητήρας Θερμοκρασίας (Linear)
•
Αισθητήρας ανίχνευσης νερού
•
Μέτρηση Κατανάλωσης Νερού
•
Μέτρηση Κατανάλωσης Ηλεκτρικής Ενέργειας (kWh)
Για την πραγματοποίηση των εντολών εξόδου του συστήματος επιλέχτηκαν οι εξής διακόπτες:
46
Κεφάλαιο 3 – Μεθοδολογία
•
Διακόπτης λειτουργίας φορτίων
•
Dimmer
•
Διακόπτης ελέγχου θερμοστάτη
•
Διακόπτης ελέγχου παροχής νερού
Δίκτυο Διασύνδεσης
Στον παρακάτω πινάκα φαίνονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά του δικτύου διασύνδεσης.
Standard
Frequency
Transmission Protocol
Communication
Number of Channels
Data Rate
Nodes/Network
Topology
Range
Security
Usability
Battery Life
IEEE 802.15.4
2.4 – 2.4835 GHz
CSMA/CA
Half-Duplex
16
250 kb/s
65535 (64-bit Address)
Mesh
Typical 50m
128-bit AES
Low (<0.1% duty cycle)
Months to years
Σχήμα 3.4 Πίνακας Χαρακτηριστικών Zigbee
3.2.2 Προδιαγραφές
Ορισμός Προδιαγραφών
•
Άνεση
o Έλεγχος φωτισμού (on/off - dimming)
o Έλεγχος ηλεκτρικών φορτίων (θερμοσίφωνας, ηλεκ. κουζίνα κλπ)
o Παρακολούθηση της θερμοκρασίας και ρύθμιση των συνθηκών θέρμανσης
o Έλεγχος διαρροής σε ένα σημείο (λουτρό ή κουζίνα)
o Έλεγχος κεντρικής παροχής νερού
o Μέτρηση και παρακολούθηση της ενεργειακής κατανάλωσης
o Μέτρηση και παρακολούθηση της κατανάλωσης νερού
o Μια κεντρική οθόνη ελέγχου του συστήματος (LCD)
47
Κεφάλαιο 3 – Μεθοδολογία
o Μέτρηση εξωτερικών καιρικών συνθηκών
•
Ασφάλεια
o Παρέχεται προστασία από πλημμύρα, λόγω διαρροής νερού, στο ηλεκτρικό
πλυντήριο και το θερμοσίφωνα. Επίσης αυξάνει την προστασία μας έναντι της
ηλεκτροπληξίας, πέραν εκείνης που παρέχει η γνωστή διάταξη (relay) κατά της
ηλεκτροπληξίας.
o Ηχητική προειδοποίηση και χρονοδιακόπτης λειτουργίας για το θερμοσίφωνα
o Έλεγχος πριζών (μωρά)
o Σενάριο away
•
Σενάρια
o Σενάριο away : απουσία για μεγάλο χρονικό διάστημα. Κλείνει θερμοσίφωνας,
κουζίνα, φώτα, γενικό διακόπτη νερού, θέρμανση. Ειδοποίηση με ήχο
(feedback).
o Σενάρια ύπνου : ενεργοποίηση φωτισμού που υποδεικνύει την πορεία προς την
τουαλέτα ή την κουζίνα.
o Σενάριο φωτεινότητας : για τιμές LUX πάνω από κάποιο προγραμματιζόμενο
νούμερο δεν επιτρέπεται η ενεργοποίηση φωτισμού. Επιπλέον ενσωματώνει
αυτόματη ρύθμιση φωτεινότητας.
o Σενάριο αυτοματοποίησης φωτισμού μέσω ανίχνευσης (προγραμματιζόμενο).
3.2.3 Δομή και Λειτουργία Συστήματος
Σύστημα Ελέγχου
Παρόλο που, σ’ ένα σύστημα οικιακού αυτοματισμού, είναι πιθανός ο διαχωρισμός της
οικίας σε επιμέρους τομείς και ο έλεγχος τους μπορεί να γίνεται ξεχωριστά, τα προνόμια ενός
τέτοιου συστήματος μπορούν να γίνουν αντιληπτά, μόνον αν είναι πλήρως ενοποιημένο. Έτσι,
λοιπόν, θεωρήθηκε σημαντικό για τη δομή και τη λειτουργία του συστήματος οι αποφάσεις να
παίρνονται μόνον από την κεντρική μονάδα ελέγχου, και όχι τοπικά από τους διανεμημένους
κόμβους.
Η λειτουργία της κεντρικής μονάδας ελέγχου περιγράφεται από το παρακάτω διάγραμμα ροής
καταστάσεων.
48
Κεφάλαιο 3 – Μεθοδολογία
Σχήμα 3.5 Γράφος ροής της κεντρικής Μονάδας ελέγχου
Αισθητήρες/Ενεργοποιητές
Με βάση τον τρόπο τροφοδοσίας των κόμβων οι συσκευές χωρίστηκαν σε δυο
κατηγορίες.
•
Κόμβοι μόνιμης παροχής ισχύος
o Ενεργοποιητές
o Αισθητήρες που αφορούν διακοπτόμενα δεδομένα (Intermittent Data)
o Coordinator
o Routers
•
Κόμβοι με τροφοδοσίας από μπαταρία
o Αισθητήρες που αφορούν περιοδικά δεδομένα (Periodic Data)
49
Κεφάλαιο 3 – Μεθοδολογία
Οι κόμβοι μόνιμης παροχής ισχύος ήταν οι κόμβοι του δικτύου που θα έπρεπε να είναι
μόνιμα ενεργοποιημένοι, ώστε να διασφαλιστεί η σωστή λειτουργία του δικτύου. Δεδομένου
του γεγονότος ότι έπρεπε να είναι μόνιμα ενεργοποιημένοι, καθιστούσε την τροφοδοσία τους
με μπαταρία αδύνατη, μιας και θα έπρεπε να γίνεται πολύ τακτικά αλλαγή μπαταριών.
Αρχικά, ο coordinator πρέπει να είναι μόνιμα ενεργοποιημένος, γιατί παίζει το ρόλο
του συντονιστή του δικτύου και δέχεται δεδομένα οποιαδήποτε στιγμή.
Οι routers βοηθούν στην δρομολόγηση των δεδομένων από και προς τον coordinator
οπότε δεν επιτρέπεται να μπαίνουν σε κατάσταση sleep, γιατί αυτό εγκυμονεί κινδύνους για
απώλεια πληροφοριών.
Οι αισθητήρες, που αφορούν διακοπτόμενα δεδομένα, οφείλουν να είναι συνεχώς σε
κατάσταση λειτουργίας, γιατί η λειτουργία τους βασίζεται σε γεγονότα που συμβαίνουν
τυχαία.
Τέλος, οι ενεργοποιητές πρέπει να είναι συνεχώς σε κατάσταση λειτουργίας γιατί
διαχειρίζονται συσκευές, που, πολλές φορές, πρέπει να κλείνουν ή να ανοίγουν άμεσα, χωρίς
καθυστέρηση.
Για τους κόμβους που τροφοδοτούνται από μπαταρία, όπως αισθητήρες με περιοδικά
δεδομένα δεν είναι αναγκαία η συνεχής λειτουργία, αφού η λειτουργία τους αφορά δεδομένα
που δεν αλλάζουν απότομα , ή δεν έχουν κρίσιμες εφαρμογές στο σύστημα.
Ένας τυπικός κόμβος αισθητήρα έχει τη μορφή που φαίνεται στο Σχήμα 3.6. Μόνο
στους κόμβους όπου χρειάστηκε να γίνουν επιπλέον διεργασίες, όπως dimming, προστέθηκε
μικροελεγκτής.
Σχήμα 3.6 Δομή τυπικού κόμβου αισθητήρα
50
Κεφάλαιο 3 – Μεθοδολογία
Ιδιαίτερη προσοχή δόθηκε στην τοποθέτηση των αισθητηρίων. Οι περιοχές
τοποθέτησης έπρεπε να είναι ουδέτερες, ώστε οι μετρήσεις να είναι αμερόληπτες και να μην
επηρεάζονται από τοπικούς παράγοντες.
Η τελική δομή του συστήματος που πρόεκυψε είναι αυτή που φαίνεται στο παρακάτω
Σχήμα 3.7.
Σχήμα 3.7 Δομή του συστήματος
3.3 Υλοποίηση
Έπειτα από την επιτυχή μελέτη και σχεδίαση του συστήματος, το μόνο που απέμενε για
την ολοκλήρωση του project ήταν η μετάβαση από τη θεωρία στην πράξη. Η φάση της
υλοποίησης ήταν και το βασικό κομμάτι της διπλωματικής, επειδή και βασικός στόχος αυτής
της διπλωματικής ήταν να γίνει πρακτικά και όχι θεωρητικά ένα σύστημα οικιακού
αυτοματισμού.
51
Κεφάλαιο 3 – Μεθοδολογία
3.3.1 Κεντρική Μονάδα Ελέγχου
Στο project για την κεντρική μονάδα ελέγχου χρησιμοποιήθηκε ο μικροελεγκτής AVR
ATMEGA2560 της εταιρίας ATMEL και για τη φάση της αποσφαλμάτωσης χρησιμοποιήθηκε
η κάρτα Arduino Mega. Ο προγραμματισμός του μικροελεγκτή μέσω της Arduino Mega έγινε
με καλώδιο USB και τα προγράμματα υλοποιήθηκαν στη γλώσσα προγραμματισμού C/C++.
Όσον αφορά την υλοποίηση της κεντρικής μονάδας ελέγχου βασικά ζητήματα ήταν:
•
Σύνδεση και λειτουργία του πληκτρολογίου με τον μικροελεγκτή
•
Σύνδεση και οδήγηση της οθόνης με τον μικροελεγκτή
•
Σύνδεση και Επικοινωνία του XBEE με τον μικροελεγκτή
MCU - Hardware
Για τη διασύνδεση όλων των παραπάνω με τον μικροελεγκτή αξιοποιήθηκε η
συνδεσιμότητα που παρείχε η Arduino Mega. Η τροφοδοσία της κάρτας γινόταν μέσω USB
και ταυτόχρονα μέσω USB γινόταν και η επικοινωνία της κάρτας με τον υπολογιστή για
αποσφαλμάτωση.
Για την προστασία της κεντρικής μονάδας ελέγχου από εξωτερικούς παράγοντες
υλοποιήθηκε ένα απλό κουτί, ως χώρος αποθήκευσης, από το οποίο προεξείχε μόνο η οθόνη,
ενώ αφέθηκαν κενά τα σημεία για τροφοδοσία της κάρτας και η θύρα USB.
52
Κεφάλαιο 3 – Μεθοδολογία
Σχήμα 3.8 Κυκλωματικό Διάγραμμα Μικροελεγκτή
Σχήμα 3.9 Κυκλωματικό Διάγραμμα Εξωτερικής Τροφοδοσίας
53
Κεφάλαιο 3 – Μεθοδολογία
Σχήμα 3.10 Κυκλωματικό Διάγραμμα Μονάδας USB
Σχήμα 3.11 Κυκλωματικό Διάγραμμα Ρυθμιστή Τάσης στα 3.3V
54
Κεφάλαιο 3 – Μεθοδολογία
Σχήμα 3.12 Κυκλωματικό Διάγραμμα Ταλαντωτών
MCU - Software
Void MCU()
Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, το σύστημα στήθηκε, έτσι ώστε οι αποφάσεις να
λαμβάνονται μόνον στην κεντρική μονάδα ελέγχου και όχι τοπικά σε κάθε κόμβο. Έτσι,
λοιπόν, δημιουργήθηκε μια συνάρτηση η οποία θα αναλάμβανε τον έλεγχο όλων των
υπολοίπων συναρτήσεων. Η διαδικασία του ελέγχου χωρίστηκε σε τρία στάδια, καθένα εκ των
οποίων υλοποιούνταν από διαφορετική συνάρτηση. Τα στάδια αυτά είναι η σάρωση, η
απόφαση και η πράξη. Οι συναρτήσεις που υλοποιούν τα τρία αυτά στάδια είναι οι παρακάτω:
•
Void MCU_Read(): συνάρτηση που αναλαμβάνει τη σάρωση του περιβάλλοντος και
είναι σε κατάσταση αναμονής, μέχρι να καταφθάσει ένα πακέτο. Όταν υπάρχει
διαθέσιμο πακέτο, αμέσως το πρόγραμμα προωθείται στην επομένη φάση ελέγχου.
•
Void MCU_Decide(): συνάρτηση που αναλαμβάνει να διαβάσει το πακέτο που
κατέφθασε, να το ταυτοποιήσει ως προς τον αποστολέα αλλά και ως προς το είδος της
πληροφορίας που περιέχει, και να επεξεργαστεί κατάλληλα την πληροφορία που έλαβε.
Η διαδικασία της επεξεργασίας περιλαμβάνει την αποθήκευση των δεδομένων σε
πινάκες. Με βάση, λοιπόν, το περιεχόμενο της πληροφορίας και την επεξεργασία της, ο
μικροελεγκτής λαμβάνει την αντίστοιχη απόφαση και η διαδικασία προχωράει στο
τρίτο και τελευταίο στάδιο.
•
Void MCU_Act(): συνάρτηση που αναλαμβάνει να πραγματοποιήσει την απόφαση που
έλαβε πριν η MCU_Decide. Η διαδικασία αυτή περιλαμβάνει έλεγχο των πινάκων που
τροποποιήθηκαν από την MCU_Decide και πραγματοποίηση της αντίστοιχης δράσης
από τον αντίστοιχο προορισμό.
Βασική λειτουργία αυτής της συνάρτησης είναι και η «αρχικοποίηση» του συστήματος σε
προκαθορισμένες καταστάσεις. Αυτό έγινε για να επαναφέρονται οι ρυθμίσεις σε περίπτωση
αναπάντεχης διακοπής της λειτουργίας του συστήματος. Η προκαθορισμένη κατάσταση
55
Κεφάλαιο 3 – Μεθοδολογία
ορίστηκε έτσι ώστε το σύστημα να είναι ασφαλές μετά από οποιαδήποτε επανεκκίνηση του
συστήματος.
Είναι σημαντικό, σ΄ αυτό το σημείο, να τονίσουμε ότι η ανάπτυξη και η υλοποίηση του
κώδικα έγινε με τέτοιον τρόπο, ώστε να είναι απόλυτα επεκτάσιμος και παραμετροποιήσιμος,
χωρίς περιορισμούς. Για να είναι αυτό εφικτό, ορίστηκε ένα πρότυπο (ISO), ώστε να
καθίσταται εύκολη η παραμετροποίηση και η επέκταση του συστήματος από τον χρήστη με
μερικές απλές αλλαγές και προσθήκες.
Πληκτρολόγιο – Hardware
Η σύνδεση του πληκτρολογίου έγινε στις PORTD και PORTE του μικροελεγκτή και,
πιο συγκεκριμένα, στα pins PD2, PD3, PE4 και PΕ5. Τα pins αυτά λειτουργούν και ως
External Interrupts. Το πληκτρολόγιο περιελάμβανε τέσσερα κουμπιά, τα οποία εκπροσωπούν
τις κατευθύνσεις: πάνω, κάτω, μπροστά και πίσω. Πιο αναλυτικά:
•
Enter : PD2/INT2
•
Back : PD3/INT3
•
Up : PE4/INT4
•
Down : PE5/INT5
Πληκτρολόγιο - Software
Η υλοποίηση λογισμικού για το πληκτρολόγιο συμπεριλάμβανε την ενεργοποίηση των
εξωτερικών διακοπών στα pins, στα οποία συνδέθηκαν τα τέσσερα κουμπιά. Το πρόβλημα που
προκλήθηκε από τα φθηνά και σχετικά κακής ποιότητας κουμπιά που αγοράστηκαν ήταν η
γνωστή αναπήδηση (bouncing). Το πρόβλημα αντιμετωπίστηκε με προσθήκη καθυστέρησης
στο πρόγραμμα, μέχρι να σταματήσει η αναπήδηση. Εδώ πρέπει να σημειώσουμε ότι το
πρόβλημα μπορούσε να αντιμετωπιστεί και με κατάλληλο hardware, αλλά προτιμήθηκε η
απλούστερη σχετικά λύση του software. Το πληκτρολόγιο είναι άμεσα συνδεδεμένο και με τη
λειτουργία της οθόνης.
Οθόνη - Hardware
Όπως προαναφέρθηκε για οθόνη επιλέχτηκε μια Graphic LCD τύπου STN με LED
Backlight βασισμένη στο πρωτόκολλο παράλληλης επικοινωνίας KS0108. Η σύνδεση της
οθόνης έγινε στις PORTA (PA0-PA7) και PORTC (PC3-PC7). Τα Pins της οθόνης
συνδέθηκαν σύμφωνα με τις προδιαγραφές του κατασκευαστή της οθόνης.
56
Κεφάλαιο 3 – Μεθοδολογία
Σχήμα 3.13 Κυκλωματικό Διάγραμμα Οθόνης
Οθόνη - Software
Για την οδήγηση της οθόνης χρησιμοποιήθηκε η βιβλιοθήκη GLCD, που ήταν και η
κατάλληλη για την οθόνη που επιλέχτηκε και περιείχε δυο τύπους χαρακτήρων
υλοποιημένους: χαρακτήρες 5x7 και χαρακτήρες Arial.
Συνάρτηση void GUI()
Η χρήση της οθόνης εξυπηρετούσε την απεικόνιση ενός γραφικού περιβάλλοντος για
διεπαφή με τον χρήστη. Δημιουργήθηκε, λοιπόν, μια συνάρτηση ονόματι GUI, η οποία είχε ως
σκοπό την απεικόνιση των κατάλληλων παραμέτρων στην οθόνη. Η συνάρτηση GUI είχε ως
εισόδους τα κουμπιά, τα οποία, όπως προαναφέρθηκε, λειτουργούσαν ως εξωτερικοί
διακόπτες. Η ενεργοποίηση οποιουδήποτε από τα κουμπιά, ενεργοποιεί το αντίστοιχο κομμάτι
κώδικα που αναφέρεται στην κίνηση. Στο σημείο αυτό να αναφερθεί ότι δημιουργήθηκε
57
Κεφάλαιο 3 – Μεθοδολογία
κυκλικό μενού με επιτρεπτές όλες τις κατευθύνσεις, σε οποιοδήποτε σημείο. Ως ένδειξη στον
χρήστη για την επιλογή χρησιμοποιήθηκε μπάρα αναστροφής πολικότητας των pixels. Η
συνάρτηση GUI αναλαμβάνει να εκτυπώσει τα σωστά στοιχεία στην οθόνη, στη σωστή θέση
καθώς και να «μαυρίζει» την κατάλληλη επιλογή, που θα επιδεικνύει στον χρήστη το σημείο
του προγράμματος στο οποίο βρίσκεται.
Xbee - Hardware
Για να γίνει εφικτή η επικοινωνία μεταξύ Xbee και μικροελεγκτή, ενώθηκαν τα pins 2
και 3 του Xbee (DOUT και DIN αντίστοιχα) στην PORTH και πιο συγκεκριμένα στα pins
PH0(RXD2) και PH1(TXD2) αντίστοιχα.
Είναι επίσης σημαντικό να αναφερθεί εδώ ότι η τροφοδοσία των Xbee γίνεται με 3.3V και τα
όρια τροφοδοσίας των Xbee RF Modules είναι 2.8 – 3.4 V. Για να διασφαλιστεί η σωστή
λειτουργία των Xbee, έπρεπε να δημιουργηθεί ένα κύκλωμα ρύθμισης της τάσης τροφοδοσίας.
Xbee – Software
Αρχικά να τονιστεί ότι για τον προγραμματισμό των Xbee RF Modules
χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα της Digi, X-CTU. Μέσω του προγράμματος
προγραμματίστηκαν κατάλληλα όλα τα Xbee μέσω της θύρας USB και ενός κατάλληλου
adaptor γνωστό και ως Xbee Explorer USB Dongle. Το περιβάλλον του προγράμματος είναι
αρκετά απλό και κατανοητό και με προσεχτική ανάγνωση του εγχειριδίου μπορεί να γίνει
σωστός προγραμματισμός των Xbee. Το περιβάλλον του προγράμματος είναι όπως φαίνεται
στα παρακάτω σχήματα.
58
Κεφάλαιο 3 – Μεθοδολογία
Σχήμα 3.14 Περιβάλλον Προγράμματος X-CTU – Ρυθμίσεις Υπολογιστή
Σχήμα 3.15 Περιβάλλον Προγράμματος X-CTU – Range Test
59
Κεφάλαιο 3 – Μεθοδολογία
Σχήμα 3.16 Περιβάλλον Προγράμματος X-CTU – Terminal
Σχήμα 3.17 Περιβάλλον Προγράμματος X-CTU – Modem Configuration
60
Κεφάλαιο 3 – Μεθοδολογία
Κλάση Xbee()
Έπειτα από εκτενή μελέτη του εγχειριδίου των Xbee RF Modules, υλοποιήθηκε η
κλάση Xbee() και ένα αντικείμενο της κλάσης αυτής. Οι επιμέρους συναρτήσεις, που
πρόεκυψαν από τις προδιαγραφές του πρωτοκόλλου IEEE 802.15.4, αναλάμβαναν την
αναγνώριση και την κατάλληλη επεξεργασία των ληφθέντων πλαισίων, ώστε να
πραγματοποιούνται οι κατάλληλες λειτουργίες του πρωτοκόλλου, που χρειάζονταν στο project.
Οι συναρτήσεις που υλοποιήθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν και οι οποίες ήταν
απαραίτητες για το project είναι:
•
Void Xbee_readPacket() : συνάρτηση υπεύθυνη για την ανάγνωση του πακέτου που
βρίσκεται στον buffer του RF Module και την ταχτοποίηση του τύπου μηνύματος που
λαμβάνεται, ώστε να το χειριστεί ανάλογα η κεντρική μονάδα ελέγχου.
•
Void Xbee_GetATCommandResponse(): συνάρτηση υπεύθυνη για τη λήψη της
απάντησης από τον απομακρυσμένο κόμβο, μετά από αποστολή εντολής AT.
Ενημερώνει για επιτυχία ή αποτυχία λήψης της εντολής.
•
Void XbeeGetIOSensorSamples(): συνάρτηση υπεύθυνη για τη λήψη και ανάγνωση
ενός πλαισίου από τον buffer του Xbee, που περιέχει ενδείξεις από έναν κόμβο
αισθητήρα. Η συνάρτηση διαβάζει από το πλαίσιο τη διεύθυνση του αποστολέα και
έτσι είναι γνωστό από ποιον κόμβο προέρχεται το κάθε πακέτο, καθώς, επίσης,
διαβάζει και το υπόλοιπο φορτίο με τις πληροφορίες αναγνωρίζοντας και το είδος
πληροφορίας που λαμβάνεται.
•
Void XbeeSendRemoteAtCommand(): συνάρτηση υπεύθυνη για δημιουργία πακέτου
που περιέχει ως φορτίο μια εντολή τύπου AT. Το πακέτο δημιουργείται με βάση τις
προδιαγραφές του προτύπου και αποστέλλεται στον κόμβο προορισμό, αφού στη
συνάρτηση ορίζεται και ο προορισμός με την 64-bit ή την 16-bit διεύθυνση.
•
Void Xbee_TX(): συνάρτηση που αναλαμβάνει την αποστολή πακέτου σε
συγκεκριμένο προορισμό και με συγκεκριμένο φορτίο πληροφορίας. Επίσης,
αναλαμβάνει να λάβει και την απάντηση από τον προορισμό για επιτυχή λήψη του
πακέτου.
•
Void Xbee_RX(): συνάρτηση που αναλαμβάνει τη λήψη πακέτου και την ταυτοποίηση
του αποστολέα.
•
Void Xbee_ModemStatus(): συνάρτηση που αναλαμβάνει τη λήψη πακέτου με φορτίο
πληροφορίας την κατάσταση του απομακρυσμένου κόμβου. Η πληροφορία αυτή
διαβάζεται και ο χρήστης μπορεί να ενημερωθεί για την κατάσταση του κόμβου.
61
Κεφάλαιο 3 – Μεθοδολογία
3.3.2 Αισθητήρες/Ενεργοποιητές
Για την ολοκλήρωση του συστήματος έπρεπε να υλοποιηθούν οι απομακρυσμένοι
κόμβοι, κάποιοι από τους οποίους θα έπαιζαν το ρόλο των αισθητηρίων και κάποιοι το ρόλο
των ενεργοποιητών. Για την επιλογή των αισθητηρίων και των υπολοίπων εξαρτημάτων για
τον εξοπλισμό των απομακρυσμένων κόμβων βασικό κριτήριο δεν ήταν η ποιότητα και η
απόδοση, αλλά το κόστος.
Αισθητήρες
Τα κύρια είδη αισθητήρων που χρησιμοποιήθηκαν ήταν:
•
αισθητήρας θερμοκρασίας
•
αισθητήρας φωτεινότητας
•
αισθητήρας κίνησης
•
Συσκευή Μέτρησης kWh
Η χρήση και άλλων ειδών αισθητήρων όπως αισθητήρας υγρασίας, ανίχνευσης καπνού
φωτιάς, ανίχνευσης CO και CO 2 και ανίχνευσης νερού, δεν ήταν δύσκολη επειδή όπως
αναφέρθηκε νωρίτερα, ο κώδικας που αναπτύχτηκε ήταν απόλυτα παραμετροποιήσεως και
επεκτάσιμος. Η προσθήκη, λοιπόν, επιπλέον αισθητηρίων ήταν μια σχετικά απλή υπόθεση,
που θεωρήθηκε περιττή-για τα πλαίσια της παρούσας εργασίας-, ενώ ταυτόχρονα ανέβαζε το
κόστος της κατασκευής.
Αισθητήρας Θερμοκρασίας – Hardware
Ο αισθητήρας θερμοκρασίας, που επιλέχτηκε, ήταν ο αναλογικός αισθητήρας
LM335A. Ο LM335A είναι πολύ απλός στη χρήση και πολύ οικονομικός, αξιόπιστος και
σχετικά ακριβής. Η έξοδος του μεταβάλλεται κατά 10mV/oK και είναι γραμμική.
Επειδή, η έξοδος του αισθητήρα κυμαινόταν από 0 ως 3.3 V, λόγω της τροφοδοσίας
του αισθητήρα από τα 3.3 V του Xbee και της πόλωσής του με μια αντίσταση 300 kΩ και
δεδομένου ότι οι αναλογικές είσοδοι του Xbee μπορούν να διαβάσουν τιμές μέχρι 1.2 V, ήταν
υποχρεωτική η δημιουργία ενός διαιρέτη τάσης κατά 1/3 στην έξοδο του αισθητηρίου, ώστε οι
τιμές εξόδου να κυμαίνονται στα επιτρεπτά όρια. Το κύκλωμα που ακολουθεί δείχνει την
πόλωση του αισθητήρα καθώς και την κατά 1/3 διαίρεση της τάσης εξόδου του αισθητήρα.
62
Κεφάλαιο 3 – Μεθοδολογία
Σχήμα 3.18 Κυκλωματικό Διάγραμμα Αισθητήρα Θερμοκρασίας
Αισθητήρας Θερμοκρασίας – Software
Όσον αφορά τον αισθητήρα θερμοκρασίας, βασικό κομμάτι της λειτουργίας ήταν το
ISO που υιοθετήθηκε. Έτσι, κάθε φορά που έρχονταν δεδομένο από το Pin που ορίστηκε για
αισθητήρες θερμοκρασίας, το μόνο που έμενε ήταν να ταυτοποιηθεί ο αποστολέας και να
μετατραπεί η τιμή που περιείχε το πακέτο σε βαθμούς Κελσίου. Εδώ να τονιστεί ότι η έξοδος
του αισθητήρα είναι ρυθμισμένη, ώστε να δίνει βαθμούς Kelvin. Στη συνάρτηση προφανώς
συνυπολογίζονταν και η διαίρεση τάσης που εφαρμοζόταν στην έξοδο του αισθητήρα καθώς
και η διαβάθμιση της ανάλυσης του 10-bit ADC (1024) του Xbee στη μέγιστη τιμή ανάγνωσης
που
ήταν
1.2.
Η
τελική
εξίσωση
που
πρόεκυψε
ήταν
η
εξής:
𝑋( 𝑜𝐶) =
(𝐴𝑛𝑎𝑙𝑜𝑔𝑅𝑒𝑎𝑑𝑖𝑛𝑔)∗3∗1.1∗100
1024
− 273,15.
63
Κεφάλαιο 3 – Μεθοδολογία
Για να είναι πιο ακριβής και αμερόληπτη η μέτρηση, αναπτύχτηκε ένα κομμάτι κώδικα
που έβγαζε το μέσο όρο των μετρήσεων θερμοκρασίας του κάθε αισθητήρα και, έτσι,
υπολογίζονταν η θερμοκρασία του σπιτιού ως μέσος όρος και όχι μόνο τοπικά.
Αισθητήρας Φωτεινότητας – Hardware
Ο αισθητήρας φωτεινότητας, που επιλέχτηκε, ήταν ο αναλογικός αισθητήρας GL5528.
Ο αισθητήρας GL5528 είναι πολύ απλός στη χρήση και πολύ οικονομικός, αξιόπιστος, σχετικά
ακριβής και άμεσος και η λειτουργία του έγκειται στην αλλαγή της αντίστασης του ανάλογα
με την ποσότητα φωτός στην οποία εκτίθεται.
Ο αισθητήρας τροφοδοτούνταν με τάση 3.3 V και, σύμφωνα και με αυτά που
αναφέρθηκαν παραπάνω για τις αναλογικές εισόδους του Xbee, για να είναι οι τιμές εξόδου
του αισθητήρα σε επιτρεπτά όρια χρησιμοποιήθηκε μια αντίσταση 500 kΩ.
Αισθητήρας Φωτεινότητας – Software
Όπως αναφέρθηκε και στον αισθητήρα θερμοκρασίας βασικό κομμάτι της λειτουργίας
ήταν το ISO που υιοθετήθηκε. Με την έλευση ενός δεδομένου από το pin του Xbee, που
ορίστηκε για τους αισθητήρες φωτεινότητας ο κώδικας αναλάμβανε την ταυτοποίησή του και
τον προορισμό του. Εδώ να αναφερθεί ότι οι αισθητήρες φωτεινότητας συνδέθηκαν με
δωμάτια και αντίστοιχους ενεργοποιητές, πράγμα που θα εξυπηρετούσε αργότερα στην
αποστολή των κατάλληλων εντολών στους ενεργοποιητές, όταν οι ενδείξεις των αντίστοιχων
αισθητήρων απαιτούσαν συγκεκριμένες ενέργειες. Έγινε, λοιπόν, μέσω πινάκων μια
ομαδοποίηση των αλληλεπιδρώντων αισθητήριων και ενεργοποιητών. Στη συνέχεια, η τιμή
που αποστέλλεται από το αισθητήριο μετατρέπεται σε επί τοις εκατό φωτεινότητα. Ανάλογα
με το επίπεδο φωτεινότητας στον χώρο δημιουργήθηκαν και οι αντίστοιχες κατηγορίες, με
βάση τα πρότυπα φωτεινότητας σε χώρους του σπιτιού.
Ο ρόλος του αισθητήρα φωτεινότητας είναι ενεργός μόνο στην επιλογή από τον χρήστη
για λειτουργία φωτισμού τύπου Dimming_B, όπου μετριέται η φωτεινότητα του χώρου και το
σύστημα αποφασίζει την ένταση φωτεινότητας του λαμπτήρα, ώστε η φωτεινότητα του χώρου
να φτάσει σε επιθυμητό σημείο.
Αισθητήρας Κίνησης – Hardware
Ο αισθητήρας κίνησης που επιλέχτηκε ήταν ο ψηφιακός ZEPIR0AAS01BCG της
εταιρίας Zilog. Ο αισθητήρας ZEPIR0AAS01BCG παρότι φαίνεται απλός, περιλαμβάνει
ενσωματωμένο μικροελεγκτή Z8 Encore και αυτό τον καθιστά μια πλήρως λειτουργική
συσκευή ανίχνευσης κίνησης. Παρά τη σχετικά χαμηλή τιμή του, περιλαμβάνει πληθώρα
64
Κεφάλαιο 3 – Μεθοδολογία
λειτουργιών (sleep, adjustable sensitivity etc) και ρυθμίσεων, χωρίς όμως αυτό να σημαίνει ότι
είναι πολύπλοκος στη χρήση και στη ρύθμιση.
Τα pins του αισθητήρα κίνησης ενώθηκαν με βάση το εγχειρίδιο χρήσης. Λόγου της
ύπαρξης ενσωματωμένου μικροελεγκτή στον αισθητήρα, αλλά και στην απαίτηση για
αμερόληπτη λειτουργία (FFD), ο αισθητήρας προσαρμόστηκε σε πηγή μόνιμης παροχής
ισχύος. Η κύρια λειτουργία του αισθητήρα κίνησης έγκειται στον έλεγχο φωτισμού
Dimming_A (ON/OFF) και Dimming_B (ON/OFF with dimming) όπου ο εντοπισμός κίνησης
ενεργοποιεί αυτόματα τον αντίστοιχο λαμπτήρα. Τέλος, πρέπει να τονιστεί ότι για την
αποφόρτιση της κεντρικής μονάδας ελέγχου αλλά και του δικτύου, ο αισθητήρας κίνησης
αποτέλεσε το μόνο εξάρτημα όπου η λήψη αποφάσεων γινόταν τοπικά, αλλά τον τελικό λόγο
είχε, προφανώς η κεντρική μονάδα ελέγχου. Αυτό έγινε με την εκμετάλλευση του ήδη
υπάρχοντος μικροελεγκτή που, υπήρχε για τον έλεγχο του Dimming στα φωτά.
Σχήμα 3.19 Κυκλωματικό Διάγραμμα Αισθητήρα Κίνησης και Φωτεινότητας
Αισθητήρας Κίνησης – Software
Στην περίπτωση που ο χρήστης έχει ενεργοποιήσει μια από τις επιλογές Dimming_A
και Dimming_B το πρόγραμμα ενεργοποιεί την ανάγνωση των αισθητήρων κίνησης και σε
περίπτωση ύπαρξης κίνησης, ενεργοποιείται ο αντίστοιχος λαμπτήρας. Όπως αναφέραμε και
παραπάνω, στους κόμβους με αισθητήρες κίνησης, έγινε ομαδοποίηση των αισθητήρων που
αλληλεπιδρούν (φωτεινότητας), ώστε να δίνονται σωστές εντολές από τις αντίστοιχες
διαδικασίες. Και εδώ χρησιμοποιήθηκε το ISO, που ορίστηκε.
65
Κεφάλαιο 3 – Μεθοδολογία
Void read_motion_sensor()
Βασικό κομμάτι της λειτουργίας είναι η ενεργοποίηση ενός χρονοδιακόπτη με τον
εντοπισμό κίνησης, ο όποιος ανανεώνεται συνεχώς, όσο εντοπίζεται κίνηση, ενώ, όταν πλέον
δεν εντοπίζεται κίνηση, οι λαμπτήρες απενεργοποιούνται, μετά από πάροδο προκαθορισμένου
χρονικού διαστήματος.
Συσκευή Μέτρησης kWh – Hardware
Ως συσκευή μέτρησης kWh επιλέχτηκε o EEM12L-32A της εταιρίας SchellCount. Ο
μετρητής εφαρμόζεται σε μια φάση του δικτύου και μετρά τις kWh που καταναλώνονται. Η
λειτουργία του είναι απλή. Συνδέεται παράλληλα με το φορτίο πάνω στην φάση και στην
οθόνη LCD που διαθέτει, αναγράφονται οι συνολικές kWh, που έχει μετρήσει. Για κάθε 0.5W
παράγεται ένας ψηφιακός παλμός στην έξοδο του. Η συνδεσμολογία του είναι αρκετά απλή
και έγινε με βάση τις προδιαγραφές του κατασκευαστή.
Συσκευή Μέτρησης kWh – Software
Το πρόγραμμα που υλοποιήθηκε απλά εκμεταλλεύεται τους παλμούς που παράγονται
στην έξοδο του μετρητή και με την ενεργοποίηση μιας εξωτερικής διακοπής προστίθενται οι
kWh και υπάρχει μια μεταβλητή, που κρατάει το νούμερο για επίβλεψη.
Ενεργοποιητές
Τα κύρια είδη ενεργοποιητών που υλοποιήθηκαν ήταν τα εξής:
•
Dimmer
•
Solid-State Relay
Η χρήση και άλλων ειδών ενεργοποιητών, όπως αλλά είδη relays και διακοπτών, δεν
ήταν δύσκολη, επειδή όπως αναφέρθηκε νωρίτερα, ο κώδικας που αναπτύχτηκε ήταν απόλυτα
παραμετροποιήσιμος και επεκτάσιμος. Η προσθήκη, λοιπόν, επιπλέον ενεργοποιητών ήταν μια
σχετικά απλή υπόθεση, που θεωρήθηκε περιττή, ενώ ταυτόχρονα ανέβαζε το κόστος της
κατασκευής.
66
Κεφάλαιο 3 – Μεθοδολογία
Ενεργοποιητής Dimmer – Hardware
Για τον έλεγχο της φωτεινότητας του χώρου υλοποιήθηκε ένα κύκλωμα Dimmer. Η
λειτουργία του Dimmer όπως είναι γνωστό έγκειται στο να ρυθμίσει την ένταση της
φωτεινότητας του λαμπτήρα. Όπως φαίνεται και στο Σχήμα 3.20 η λειτουργία βασίζεται στο
ημιτονοειδές σήμα του δικτύου ηλεκτροδότησης. Ένα κύκλωμα εντοπίζει πότε το συνημίτονο
διέρχεται από το μηδέν (zero-cross detection). Μετά την ανίχνευση της διέλευσης από το
μηδέν με ανάλογη χρονική καθυστέρηση, πυροδοτείται ένα Triac μέσω ενός Opto-Coupler, το
όποιο μέχρι και πριν την πυροδότηση λειτουργεί ως ανοιχτό κύκλωμα. Μετά την πυροδότηση,
αναπτύσσεται τάση στα άκρα του λαμπτήρα όση με αυτήν που διαπερνά το Triac και ανάλογη
με την τιμή της τάσης που «συνελήφθη» το συνημίτονο. Όπως είναι προφανές, η τάση αυτή
εξαρτάται από τη χρονική καθυστέρηση που έλαβε χωρά από την στιγμή της διέλευσης από το
μηδέν.
Για την υλοποίηση αυτού του κυκλώματος ήταν αναγκαία η χρήση ενός επιπλέον
μικροελεγκτή, στον οποίο ενεργοποιήθηκε μια διακοπή, που αφορούσε το zero-cros detection
και μετά, ανάλογα με την τιμή της φωτεινότητας που έχει επιλεγεί από τον χρήστη,
εφαρμόζεται και η ανάλογη χρονική καθυστέρηση για την υλοποίηση του κατάλληλου
dimming, με πυροδότηση του Triac. Ο επιπλέον μικροελεγκτής που χρησιμοποιήθηκε ήταν ο
ATMEGA328-P, ενώ το κύκλωμα υλοποίησης του dimmer φαίνεται παρακάτω.
Κυματογράφο Τροφοδοσίας AC
Το TRIAC πυροδοτείτε κοντά στην
θετική και αρνητική εναλλαγή του
σήματος
Το TRIAC παραμένει στην αποκοπή
μέχρι την χρονική στιγμή πριν από το
τέλος κάθε εναλλαγής.
Ένα μικρό χρονικό διάστημα στο οποίο
φαίνετε η τάση που αναπτύσσετε στο
φορτίο όταν ρέει το ρεύμα από αυτό
Σχήμα 3.20 Η θεωρία του Dimming
67
Κεφάλαιο 3 – Μεθοδολογία
Σχήμα 3.21 Κυκλωματικό Διάγραμμα Κυκλώματος Dimming
Ενεργοποιητής Dimmer – Software
Void dim()
Η συνάρτηση αυτή ήταν υπεύθυνη για την υλοποίηση του dimming. Στη συνάρτηση
αυτή ενεργοποιήθηκε μια διακοπή για το zero-cross detection και έπειτα υπολογίστηκε η
χρονική καθυστέρηση με βάση τον τύπο 𝑑𝑒𝑙𝑎𝑦(𝜇𝑠) =
106
2∗50(𝐻𝑧)
128
. Γι’ αυτήν τη διεργασία
χρησιμοποιήθηκε ο TIMER/COUNTER1, που λειτουργεί σε μseconds, που στην εξίσωση
εκπροσωπείται από το 106, ενώ το 128 είναι ο αριθμός διαβαθμίσεων που επιλέχτηκε. Οι
διαβαθμίσεις μπορούν να αλλαχτούν από τον χρήστη. Στην συνάρτηση αυτή υλοποιήθηκε και
μια ομαλή μετάβαση ανάμεσα στις καταστάσεις διαβάθμισης και όχι απότομες μεταβολές, για
να είναι πιο φιλικό προς τον χρήστη.
Void MCU_Lights
Όλες οι διεργασίες, που αφορούν στη λειτουργία του φωτισμού, εναρμονίζονται από
μια κεντρική συνάρτηση την MCU_Lights, η όποια εκτελείται στον τοπικό μικροελεγκτή σε
κάθε κόμβο, που περιλαμβάνει αισθητήρα κίνησης και ενεργοποιητή dimmer. Όπως έχει
αναφερθεί πολλές φορές ο συντονιστής του δικτύου είναι ένας και οι αποφάσεις παίρνονται
κεντρικά και όχι τοπικά. Ο τοπικός μικροελεγκτής είναι υπεύθυνος μόνο για τις βασικές
λειτουργιές του κόμβου αυτού.
68
Κεφάλαιο 3 – Μεθοδολογία
Ενεργοποιητές Solid State Relays – Hardware
Ως ενεργοποιητές χρησιμοποιήθηκαν Relays στερεάς κατάστασης. Η λειτουργία τους
βασίζεται και αυτή στην πυροδότηση ενός Triac μέσω ενός κυκλώματος Opto-Coupler όπως
ακριβώς και στο κύκλωμα του Dimmer. Εδώ βέβαια κρατώντας σταθερή της διέγερσης της
πύλης του Triac διατηρείται η λειτουργία της συσκευής-φορτιου που συνδέεται στο relay για
όσο θέλει ο χρήστης και έπειτα με την αυτοδιέγερση της πύλης διακόπτεται και η λειτουργία
της αντίστοιχης συσκευής-φορτίου
Στο σχήμα που ακόλουθη φαίνεται το κυκλωματικό διάγραμμα ενός relay στερεάς
κατάστασης.
Σχήμα 3.22 Κυκλωματικό Διάγραμμα Relay Στερεάς Κατάστασης
Ενεργοποιητές Solid State Relays - Software
Το λογισμικό που αναπτύχτηκε είναι αρκετά απλό. Για κάθε σχετική εντολή ενεργοποίησης
μιας συσκευής-φορτίου αποστέλλεται μια εντολή ενεργοποίησης/απενεργοποιησης ενός από
τα pin εξόδου που ορίζονται στο ISO, ανάλογα με την συσκευή-φορτιο που είναι να
ενεργοποιηθεί/απενεργοποιηθει αντίστοιχα.
Για τις φωτογραφίες των υλοποιήσεων των επιμέρους κυκλωματικών διατάξεων υπάρχει το
Παράρτημα Δ.
69
Κεφάλαιο 3 – Μεθοδολογία
(Η σελίδα αυτή αφέθηκε κενή σκοπίμως)
70
Κεφάλαιο 4 – Πειραματικά Αποτελέσματα και Συζήτηση
Κεφάλαιο 4
Πειραματικά Αποτελέσματα και
Συζήτηση
Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται τα εμπειρικά αποτελέσματα των πειραμάτων που
διεξήχθησαν αρχικά ως προς την αξιοπιστία των επιμέρους εξαρτημάτων του συστήματος και
τέλος όσον αφορά την εξοικονόμηση ενέργειας που επιτεύχθηκε με την χρήση του
συστήματος.
4.1 Αξιοπιστία Συστήματος
Η αξιοπιστία ενός συστήματος αποτελεί πάντα έναν πολύ βασικό παράγοντα για την
υλοποίηση και τη λειτουργιά. Η μελέτη της αξιοπιστίας έγινε αρχικά για κάθε εξάρτημα
ξεχωριστά και, τέλος, στο σύνολο του συστήματος.
4.1.1 Κεντρική Μονάδα Ελέγχου
Μετά την υλοποίηση του συστήματος, η κατασκευή τέθηκε σε δοκιμαστική λειτουργιά
για διάστημα ενός μηνά, ώστε να επιβεβαιωθεί η ορθή και επιθυμητή απόδοση. Κατά τη
διάρκεια της δοκιμαστικής λειτουργιάς του συστήματος, δεν εντοπίστηκε καμία εσφαλμένη
ενέργεια, που να προκάλεσε διακοπή της λειτουργίας ή απαίτηση για εξαναγκασμένη
επανεκκίνηση του συστήματος. Η απόκριση και η απόδοση του συστήματος κυμάνθηκε στα
επιθυμητά όρια και η συλλειτουργία με τα υπόλοιπα εξαρτήματα και συστήματα ήταν
αρμονική, χωρίς προβλήματα. Η λεπτομερής μελέτη και σχεδίαση του συστήματος, πριν από
την υλοποίηση, οδήγησε στη δημιουργία κώδικα, που δεν έχρηζε περαιτέρω αποσφαλμάτωσης
κατά τη διάρκεια της δοκιμαστικής λειτουργίας. Εντούτοις, η μονή περίπτωση διακοπής της
αδιάλειπτης κατά τα άλλα λειτουργίας, συνέβη, όταν διακόπηκε η παροχή ηλεκτρικής
ενέργειας από το δίκτυο, καθώς δεν προβλέφθηκε εναλλακτική τροφοδοσία του συστήματος
κατά το σχεδιασμό.
4.1.2 Αισθητήρες – Ενεργοποιητές
Το διάστημα μελέτης του συστήματος σε δοκιμαστική λειτουργία δεν ήταν πολύ
μεγάλο. Όπως ήταν αναμενόμενο, λοιπόν, δεν υπήρξε αστοχία υλικού σε κάποιο από τα
αισθητήρια ή τους ενεργοποιητές. Η λειτουργία τους ήταν ομαλή, χωρίς κάποια επιπλοκή.
Ωστόσο, το βασικό ζήτημα αξιοπιστίας σ’ αυτό το κομμάτι ήταν η απόδοση των μπαταριών.
Μετά από εκτέλεση διαφόρων πειραμάτων πρόεκυψαν, τα εξής εμπειρικά αποτελέσματα:
71
Κεφάλαιο 4 – Πειραματικά Αποτελέσματα και Συζήτηση
•
Το μέσο ρεύμα κατά τη λήψη είναι μεγαλύτερο από το ρεύμα κατά την αποστολή.
•
Η διάρκεια ζωής της μπαταριάς αυξάνεται με τη μείωση του duty cycle και την αύξηση
της περιόδου ανενεργίας (sleep).
•
Η αύξηση του μεγέθους πλαισίου (frame data bytes) οδηγεί σε αυξημένη κατανάλωση
ενέργειας.
Σχήμα 4.1 Διάγραμμα Διάρκειας Ζωής Μπαταρίας
•
Η κίνηση και η τοπολογία του δικτύου καθώς και οι περιβαλλοντικές συνθήκες
επηρεάζουν το χρόνο λειτουργίας (ON-Time) του κόμβου και ως επακόλουθο
μειώνουν το χρόνο ζωής της μπαταριάς.
•
Οι επαναλαμβανόμενες προσπάθειες αποστολής πακέτου παρότι ευνοούν το δίκτυο ως
προς την επιτυχή αποστολή δεδομένων, μειώνουν τη διάρκεια ζωής της μπαταριάς ως
και 45%.
72
Κεφάλαιο 4 – Πειραματικά Αποτελέσματα και Συζήτηση
4.1.3 Δίκτυο – Πρωτόκολλο Επικοινωνίας
Για τη μελέτη της αξιοπιστίας του δικτύου και του πρωτόκολλου επικοινωνίας
εκτελέστηκαν πειράματα εμβέλειας μετάδοσης και πειράματα δεκτικότητας στην παρεμβολή
από το περιβάλλον.
Πειράματα
Τα αποτελέσματα που φαίνονται στον παρακάτω πινάκα προέκυψαν με τη χρήση του
προγράμματος X-CTU (range-test):
Distance (m)
20
50
75
85
10
10
10
10
10
3
6
Obstacle
Interference
In line of sight
1 glass door
(0.3cm thick)
2 glass doors
1 iron door (5cm)
2 iron doors
1 concrete floor
(17cm)
2 concrete floors
Corridor
without
interference
Corridor with
microwave
Opposite
room without
Opposite
room with
Bluetooth
Packet
Rate(%)
Loss Received
(dBm)
Power
0
0
0.75
1.65
0
0
-69
-78
-84
-86
-69
-75
0
0
3.55
0
-78
-78
-86
-60
0
0
-85
-62
0.15
-69
0
-70
0.1
-67
Σχήμα 4.2 Πίνακας Πειραματικών Μετρήσεων Δικτύου
4.2 Εξοικονόμηση ενέργειας
Εκτός από την άνεση και την ασφάλεια που παρέχει ένα σύστημα οικιακού
αυτοματισμού βασικό κομμάτι της λειτουργίας του είναι και η εξοικονόμηση ενέργειας.
Έπειτα, λοιπόν, από λειτουργία ενός μηνά έγιναν κάποιες πειρατικές παρατηρήσεις, όσον
αφορά τις επιμέρους λειτουργίες, που πλέον ελέγχονταν από το σύστημα οικιακού
αυτοματισμού.
73
Κεφάλαιο 4 – Πειραματικά Αποτελέσματα και Συζήτηση
Θερμοσίφωνας
Η αυτοματοποιημένη λειτουργία του θερμοσίφωνα για προκαθορισμένο χρόνο που
ορίζεται από τον χρήστη, επιφέρει εξοικονόμηση ενέργειας κατά τουλάχιστον 33%.
Θέρμανση
Η αυτοματοποιημένη λειτουργία της θερμοκρασίας με την αξιολόγηση του μέσου όρου
των ενδείξεων θερμοκρασίας από το κάθε δωμάτιο και όχι από μεμονωμένο, σημείο όπως ο
θερμοστάτης, καθώς και με την χρήση του σεναρίου «away» και «sleep-time», επιφέρει
εξοικονόμηση κατανάλωσης στον χρήστη τουλάχιστον 5%.
Φωτισμός
Η αυτοματοποιημένη λειτουργία του φωτισμού με Dimming με βάση τη φωτεινότητα
του δωματίου και την επιθυμητή φωτεινότητα από τον χρήστη, μπορεί να επιφέρει μεγάλη
εξοικονόμηση ενέργειας, αλλά, βεβαία, σ’ αυτό υπάρχει πάντα και ο αστάθμητος παράγοντας
της ανθρώπινης επιλογής. Πιο συγκεκριμένα:
Ποσοστό
Dimming (%)
Εξοικονόμηση
ενέργειας
Επέκταση του
χρόνου ζωής
του λαμπτήρα
10
25
50
75
10
20
40
60
2x
4x
20x
Περισσότερο
από 20x
Σχήμα 4.3 Πίνακας Εξοικονόμησης Ενέργειας με Dimming
Πρίζες και λοιπά φόρτια
Η χρήση του σεναρίου «away» και «sleep-time» που αποκόπτει τα φόρτια και τις
πρίζες ήταν δύσκολο να δώσει αξιόλογα πειραματικά αποτελέσματα, αλλά, είναι προφανές, ότι
υφίσταται εξοικονόμηση ενέργειας. Ειδικά, για την πολύ συχνή περίπτωση, που ξεχνιούνται
ηλεκτρικές συσκευές σε λειτουργία, ενώ ο χρήστης φεύγει από το σπίτι, τότε, γίνεται άσκοπη
κατανάλωση ενέργειας, η όποια μπορεί να αποφευχθεί με το εν λόγο σενάριο.
74
Κεφάλαιο 5 – Συμπεράσματα και Προτάσεις
Κεφάλαιο 5
Συμπεράσματα και Προτάσεις
5.1 Συμπεράσματα
Με τη χρήση της τεχνολογίας των ασύρματων δικτύων αισθητήρων, υλοποιήθηκε ένα
σύστημα οικιακού αυτοματισμού. Η χρήση ασύρματου δικτυού, ως μέσο επικοινωνίας, έχει
και θετικά και αρνητικά στοιχειά. Από τη μια πλευρά απαιτεί λιγότερα καλώδια, δεν θέτει
περιορισμούς στην τοποθέτηση, δεν απαιτεί πολύ χρήμα και χρόνο στην εγκατάσταση, είναι
καλύτερο στην αναβάθμιση από τα ενσύρματα δίκτυα, ταιριάζει περισσότερο στον έλεγχο
φωτισμού και προσφέρει μεγαλύτερη ευελιξία, ενώ, από την άλλη πλευρά απαιτεί μπαταριές
για τροφοδοσία, είναι πιο ακριβά, δεν είναι τόσο εύρωστα, όσο τα ενσύρματα και δεν
πωλούνται τόσα πολλά εξαρτήματα στην αγορά.
Σχήμα 5.1 Υπέρ και Κατά των Ασυρμάτων Δικτύων
Η μελέτη και η κατανόηση των ασύρματων δικτύων αισθητήρων βοήθησε στη
σχεδίαση του συστήματος. Είναι, λοιπόν, γεγονός ότι η τεχνολογία των ασύρματων δικτύων
αισθητήρων είναι μια από τις πιο σημαντικές και πολλά υποσχόμενες τεχνολογίες, που
αναπτύχτηκαν στον 21ο αιώνα. Πιο συγκεκριμένα, η τοπολογία mesh του δικτυού αναίρεσε τις
αδυναμίες που θα εμφάνιζαν οι υπόλοιπες τοπολογίες για τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Οι
κομβόι βασιστήκαν στα πρότυπα των ασύρματων δικτύων αισθητήρων και η χρήση του
75
Κεφάλαιο 5 – Συμπεράσματα και Προτάσεις
πρωτόκολλου IEEE 802.15.4 Zigbee συνέθεσε ένα εντελώς λειτουργικό και αξιόπιστο δίκτυο
αισθητήρων. Το πρωτόκολλο Zigbee απόδειξε ότι μπορεί να προσφέρει χαμηλού κόστους,
χαμηλής ισχύος και αξιόπιστη τεχνολογία ασύρματου δικτυού για ένα μεγάλο εύρος
εφαρμογών έλεγχου και επίβλεψης. Επιπλέον, η ευκολία χρήσης και υλοποίησης, η ευκολία
επέκτασης των ήδη υπαρχόντων προτύπων, η δυνατότητα επέκτασης, η ασφάλεια και η
υποστήριξη από πολλές κατασκευαστικές εταιρίες είναι από τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα
του Zigbee. Αυτά καθιστούν το Zigbee ως μια από τις καταλληλότερες επιλογές για ανάπτυξη
εφαρμογών οικιακού και κτιριακού αυτοματισμού.
Τα αυτοματοποιημένα περιβάλλοντα επιτρέπουν το συνδυασμό υψηλής τεχνολογίας με
θετικό αντίκτυπο στο περιβάλλον, όχι μονό δίνοντας απόλυτο έλεγχο του σπιτιού άλλα και
διευκολύνοντας την συντήρηση πολυτίμων πόρων, όπως ενεργεία, νερό και χρόνο.
Οργανώνοντας τα διαφορά συστήματα να λειτουργούν μαζί, τα αυτοματοποιημένα
περιβάλλοντα παρέχουν άνεση, ασφάλεια, εξοικονόμηση ενέργειας δυνατότητα επέκτασης και
ευελιξία.
Σχήμα 5.2 Προνόμια Οικιακού Αυτοματισμού
Οι εφαρμογές αυτοματοποιημένων κτιρίων κατέχουν μικρό μερίδιο στην αγορά παρόλο
που υπάρχουν πολλά προϊόντα από διαφορετικές εταιρίες. Τα συστήματα οικιακού
αυτοματισμού που κυκλοφορούν τείνουν να είναι πολύ απλοϊκά και περιορισμένα στις
εφαρμογές τους ή πολύ πολύπλοκα και δύσκολα στη χρήση και τη συντήρηση. Επιπλέον, η
έλλειψη marketing, οι υψηλές τιμές και οι απαιτήσεις των πελατών αποτελούν εμπόδια στην
εμπορική επιτυχία των αυτοματοποιημένων κτιρίων.
76
Κεφάλαιο 5 – Συμπεράσματα και Προτάσεις
Σχήμα 5.3 Προκλήσεις Συστημάτων Οικιακού Αυτοματισμού
Κλείνοντας να τονίσουμε ότι, επειδή η εξοικονόμηση ενέργειας είναι το βασικό
στοιχείο των αυτοματοποιημένων κτιρίων, η ανάπτυξη της οικολογικής συνείδησης του
αγοραστικού κοινού θα τον οδηγήσει, αργά ή γρήγορα, στην αγορά συστημάτων οικιακού και
κτιριακού αυτοματισμού.
5.2 Προτάσεις
5.2.1 Προτάσεις για περαιτέρω ανάπτυξη
Κατά την τριβή με το αντικείμενο, στα πλαίσια της εργασίας, βρεθήκαν πολλά σημεία,
τα οποία θα μπορούσαν να βελτιώσουν σημαντικά την εφαρμογή, και αρκετές ιδέες-προτάσεις,
οι οποίες μπορούν να υλοποιηθούν για προέκταση και πειραματισμό.
Όσον αφόρα το hardware, προτείνεται η αντικατάσταση της οθόνης και του
πληκτρολογίου με οθόνη αφής για καλύτερη διεπαφή με τον χρηστή. Επιπλέον, προτείνεται η
ανάπτυξη τηλεχειριστηρίου για απομακρυσμένες εντολές του χρηστή προς την κεντρική
μονάδα ελέγχου. Η επέκταση των ειδών αισθητήριων, που ενσωματώνονται στους κόμβους, θα
βοηθούσε σε αυξημένη λειτουργικότητα και καλύτερη αναγνώριση του περιβάλλοντος. Θα
μπορούσε να γίνει προσθήκη επιπλέον ενεργοποιητών για έλεγχο σε πόρτες και παράθυρα.
Επίσης, η ενσωμάτωση δικτύου 3G θα βοηθούσε σε αποστολή απομακρυσμένων εντολών
μέσω τηλεφώνου. Τέλος, προτείνεται η επέκταση του δικτύου με προσθήκη πολλών κόμβων
για πλήρη κατανόηση των δυνατοτήτων του δικτύου mesh. Ο κώδικας που αναπτύχθηκε
υποστηρίζει την επέκταση του δικτύου χωρίς, καμία τροποποίηση.
Όσον αναφορά το software, προτείνεται η βελτίωση του κώδικα που αναπτύχθηκε με
προσθήκη επιπλέον σεναρίων, βελτιστοποίηση του κώδικα και προσθήκη περισσότερων
77
Κεφάλαιο 5 – Συμπεράσματα και Προτάσεις
επίλογων στο μενού. Για βελτίωση της χρήσης του συστήματος, θα ήταν πολύ χρήσιμη η
ανάπτυξη ενός προγράμματος στον υπολογιστή, για διεπαφή με τον χρηστή μέσω υπολογιστή,
καθώς και περαιτέρω ανάπτυξη του προγράμματος, για επικοινωνία μέσω Internet.
Τέλος, προτείνεται εκτενής στατιστική μελέτη για τα οφέλη χρήσης του συστήματος
και περαιτέρω πειραματικές μετρήσεις για την εξοικονόμηση ενέργειας που επιτυγχάνεται.
5.2.2 Προτάσεις για εφαρμογές
Παρόλο που το σύστημα υλοποιήθηκε ως εφαρμογή οικιακού αυτοματισμού, θα ήταν
εφικτή η εφαρμογή του σε οποιεσδήποτε κτιριακές και επαγγελματικές εγκαταστάσεις.
Βασικοί τομείς εφαρμογής θα μπορούσαν να είναι ο βιομηχανικός έλεγχος και ο τομέας της
υγείας (εφαρμογές για άτομα με ειδικές ανάγκες). Τέλος, ένα ακόμη πιθανό πεδίο εφαρμογής
θα μπορούσε να είναι ένα θερμοκήπιο ή οποιαδήποτε άλλη γεωργική ή κτηνοτροφική
εγκατάσταση.
78
Βιβλιογραφία
Βιβλιογραφία
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
Groover, M.P., Automation, Production Systems, and Computer-Integrated
Manufacturing. 2 ed. 2000: Prentice Hall. 856.
Pinto, J. A short history of Automation growth. 2007; Available from:
http://www.automation.com/resources-tools/articles-white-papers/articles-by-jimpinto/a-short-history-of-automation-growth.
Merz, H., T. Hansemann, and C. Hübner, Building Automation: Communication
systems with EIB/KNX, LON and BACnet (Signals and Communication Technology)
1ed. 2009: Springer. 282.
KNX.org. Available from: www.knx.org.
Z-Wave. Available from: http://www.z-wave.com.
ZigBee-Alliance. Available from: www.zigbee.org.
Gadre, D.V., Programming and Customizing the AVR Microcontroller. 1 ed. 2000:
McGraw-Hill/TAB Electronics. 336.
Brown, S. and Z. Vranesic, Fundamentals of Digital Logic: With VHDL Design. 2 ed.
2004: McGraw Hill Higher Education.
Brown, S. and J. Rose, Architecture of FPGAs and CPLDs: A Tutorial.
Deschamps, J.-P., G.J.A. Bioul, and G.D. Sutter, Synthesis of Arithmetic Circuits:
FPGA, ASIC and Embedded Systems. 1 ed. 2006: Wiley-Interscience. 576.
Axelson, J., The Microcontroller Idea Book: Circuits, Programs & Applications
Featuring the 8052-BASIC Single-Chip Computer. 1 ed. 1994: Lakeview Research.
277.
Bryan, L.A. and E.A. Bryan, Programmable Controllers: Theory and Implementation.
2 ed. 1996: Industrial Text Co. 1035.
Gridling, G. and B. Weiss, Introduction to Microcontrollers. 2007.
Verdone, R., et al., Wireless Sensor and Actuator Networks: Technologies, Analysis
and Design. 1 ed. 2008: Academic Press. 392.
Sohraby, K., D. Minoli, and T. Znati, Wireless Sensor Networks: Technology,
Protocols, and Applications. 1 ed. 2007: Wiley-Interscience. 328.
Gutiérrez, J.A., E.H.J. Callaway, and R.L.J. Barrett, Low-Rate Wireless Personal Area
Networks: Enabling Wireless Sensor Networks with IEEE 802.15.4. 1 ed. 2003:
Institute of Electrical & Electronics Enginee. 155.
specifications.nl. Available from: http://www.specifications.nl/zigbee/zigbee_UK.php.
Zigbee-Alliance, ZigBee Specification, Zigbee Alliance.
Digi. Xbee Datasheet. Available from: http://www.digi.com/.
Shade, D. ZigBee RF4CE coexistence with common 2.4-GHz ISM-band consumer
electronics. 2010; Available from: http://www.microwave-eetimes.com/en/zigbeerf4ce-coexistence-with-common-2.4-ghz-ism-band-consumerelectronics.html?cmp_id=71&news_id=222900628.
79
Βιβλιογραφία
(Η σελίδα αυτή αφέθηκε κενή σκοπίμως)
80
Παραρτήματα
Παραρτήματα
Παράρτημα Α
Datasheets
81
Παραρτήματα
82
Παραρτήματα
83
Παραρτήματα
84
Παραρτήματα
85
Παραρτήματα
86
Παραρτήματα
87
Παραρτήματα
88
Παραρτήματα
89
Παραρτήματα
90
Παραρτήματα
91
Παραρτήματα
92
Παραρτήματα
93
Παραρτήματα
Παραρτημα Β
Οδηγίες Χρήσης
Η περιηγηση γινεται με τα κουμπια τα οποια όπως φαινεται και στην εικονα εχουν ταμπελες
κατευθυνσεων αναλογες με την θεση τους. Οι διαθεσιμες κατευθυνσεις είναι Up, Down, Enter
και Back. Η επιλογη γινεται με το enter ενώ η επιστροφη στο προηγουμενο μενου γινεται με το
back. Το μενου εχει κυκλικη λειτουργια.
94
Παραρτήματα
Κεντρικό Μενού
Από το κεντρικό μενού μπορεί να επιδεχθεί οποιαδήποτε από τις γενικές επιλογές. Οι επιλογές
χωρίζονται σε Actions, Settings, Scenarios και House Overview.
Actions
Στο μενού Actions είναι δυνατή η ενεργοποίηση και απενεργοποίηση οποιοιδήποτε
ηλεκτρικού φορτίου ή συσκευής καθώς και φώτων και του θερμοσίφωνα. Οι ενέργειες που
γίνονται είναι άμεσες.
95
Παραρτήματα
Settings
Στο μενού settings ο χρήστης μπορεί να παραμετροποιήσει το σύστημα όσον αφόρα τις
λειτουργίες και τους χρονοδιακόπτες με μενού τύπου On/Off και μετρητές.
96
Παραρτήματα
Παράρτημα Γ
Λίστα Υλικών
No
Name
Quantity
Description
1
XBEE Series 2b (2,5)
RF Modules with
Wire Antenna
4
RF Modules with
chip antenna with
low (2mW)
consumption for
sensor stations
with battery
power
RF Modules with
chip antenna
bigger and with
higher (50mW)
consumption,
better signal for
stable stations
with surge power
USB Connection
with PC for XBEE
RF Modules for
Programming
Connection of
XBEE RF Modules
with Standard
Breadboard or
Prototype Board
Main Board for PC
Connection(USB)
and FLASH UI
Direct Connection
of XBEE RF
Module with
Arduino
Duemilanove
Establish
Connection
Between Arduino
and Arduino Xbee
Shield
Establish
Connection
Between Arduino
and Arduino Xbee
Shield
For low voltage
3.3V parts
Analog
Temperature
Sensor ( −40°C to
100°C)
Battery Holder -
2
XBEE PRO Series 2b
(2,5) RF Modules
with Wire Antenna
2
3
XBee Explorer USB
Dongle
3
4
Breakout Board for
XBEE Module
4
5
Arduino Main Board
(Duemilanove)
1
6
XBee Wireless Shield
for Arduino
Duemialnove
2
7
Arduino Stackable
Header - 8 Pin
5
8
Arduino Stackable
Header - 6 Pin
5
9
Voltage Regulator 3.3V
Temperature Sensor
- LM335A
4
Battery Holder 2xAA
3
10
11
2
97
Price per
Item (€)
19.74
Total
Price (€)
59.22
Total Sum
78.96
31.15
62.3
18.98
56.94
141.26
198.2
2.24
8.96
22.78
22.78
207.16
229.94
18.98
37.96
0.38
1.9
267.9
269.8
0.38
1.9
1.48
5.92
1.14
2.28
1.14
3.42
271.7
277.62
279.9
283.32
Παραρτήματα
12
with Cover and
Switch
Mini Photocell
Enclosure with
Switch and Wires
Photodetector Photoconductive
Cell used as Light
Trigger
LCD Screen for the
Standalone Board
STK500
Detects Motion
Motion Detector
with MCU
Digital
Temperature
Sensor with Low
Current and
0.0625°C
Resolution (12-bit)
Explorer and
Breakout Board
for Xbee Modules,
translates the 5V
signals to 3.3V
MCU for STK500
and Arduino
In-Circuit
Programmer,
Emulator, and
Debugger
3
13
Graphic LCD 128x64
STN LED Backlight
1
14
15
PIR Motion Sensor
ePIR
1
1
16
Digital Temperature
Sensor Breakout TMP102
1
17
XBee
Explorer Regulated
2
18
ATMega328 MCU
3
19
AVR DRAGON
1
20
21
22
23
24
25
26
Arduino Mega
EEM-12L kWh
BT139
MOC3020
4N30
Resistors
Greek Customs
1
1
3
3
3
100
1
27
Central Unit
Packaging
1
Triac
Opto-isolator
Optocoupler
items stopped at
custom
98
1.14
3.42
15.17
15.17
7.57
9.09
7.57
9.09
4.53
4.53
286.74
301.91
309.48
318.57
323.1
7.57
15.14
3.27
9.81
40
40
50
60
3
3
2
0.1
200
50
60
9
9
6
10
200
10
10
338.24
348.05
388.05
438.05
498.05
507.05
516.05
522.05
532.05
732.05
742.05
Παραρτήματα
Παράρτημα Δ
Φωτογραφίες του συστήματος
Κεντρική Μονάδα Ελέγχου
99
Παραρτήματα
Dimmer – Actuator
Temperature Sensor
100
Παραρτήματα
Μέτρηση kWh
101

Ασκ_Λύσεις_Αρχιτ.1 _&_Κρυφή_Μνήμη.pdf

Προσδιορισμός Θέσης σε Κλειστούς Χώρους μέσω Δικτύων Wifi

Δείτε το τεχνικό εγχειρίδιο για μπόιλερ

Biomass Controller PWC

Δημουλιάς-Υπόμνημα Δραστηριότητας

Συνεταιριστικού Εγχειριδίου για τις Οργανώσεις Εργαζομένων

2012 / 2

Εισαγωγή 2011 - Πανεπιστήμιο Μακεδονίας

real_time_total_new.pdf Αρχείο Σημειώσεων real_time_total_new.pdf

Θέματα Πτυχιακών Χειμερινού Εξαμήνου 2014-2015

Μέρος Γ