Figura 2.4: Exemplu de rețea de automatizare într-o clădire inteligentă 9 [632079]

Universitatea Politehnica București Facultatea de Automcatică și Calculatoare Departamentul de Automatică și Ingineria Sistemelor LUCRARE DE LICENȚĂ Tehnologii moderne de monitorizare și conducere pentru clădiri inteligente Absolvent: [anonimizat]: Prof.dr.ing. Sgarciu Valentin Consultant: Sl.dr.ing. Iulia Dumitru București, 2013

2
 
 Cuprins
 
 LISTA FIGURILOR ……………………………………………………………………………………………………. 3 LISTA TABELELOR ………………………………………………………………………………………………….. 5 1. Introducere ………………………………………………………………………………………………………….. 6 2. Conceptul de “ Clădire Inteligentă” ………………………………………………………………………… 7 2.1 Definiție …………………………………………………………………………………………………………. 7 2.2 Funcționalitatea unei “clădiri inteligente” …………………………………………………………… 8 3. Rețele de senzori wireless ……………………………………………………………………………………. 10 3.1 Definiție și utilizare ……………………………………………………………………………………….. 10 3.2 Structură și arhitecturi ……………………………………………………………………………………. 11 3.3 Constrângeri …………………………………………………………………………………………………. 19 3.4 Standardul ZigBee …………………………………………………………………………………………. 19 3.5 Studiu de caz: Impactul distanței și așezării asupra comunicației dintre noduri ……… 22 4. Studiu de caz: Aplicație de monitorizare a temperaturii și a gradului de ocupare într-o sală de conferință ………………………………………………………………………………………………………. 28 4.1 Formularea problemei și specificarea cerințelor ………………………………………………… 28 4.2 Reglarea temperaturii în sistemul dorit …………………………………………………………….. 28 4.3 Structura aplicației și tehnologii folosite …………………………………………………………… 33 4.4 Structura hardware ………………………………………………………………………………………… 36 4.5 Rezultate obținute ………………………………………………………………………………………….. 40 5. Concluzii …………………………………………………………………………………………………………… 41 Bibliografie ………………………………………………………………………………………………………………. 42

3
 
 LISTA FIGURILOR Figura Numele figurii 2.1 Sisteme de conducere și monitorizare într-o casă inteligentă 2.2 Functionalitățile unei clădiri inteligente 2.3 Structura unei clădiri inteligente 2.4 Exemplu de rețea de automatizare într-o clădire inteligentă 3.1 Rețea de senzori wireless 3.2 Exemplu de arhitectura 3.3 Exemplu de retea tipică cu noduri, gateway și calculator central 3.4 Configurație 1 de tip plasa 3.5 Configuratie 2 de tip plasa 3.6 Conectare ineficienta vs. conectarea eficientă 3.7 Folosirea nodurilor de tip ruter pentru extinderea razei de actiune 3.8 Topologie stea cu un numar maxim de 8 noduri finale 3.9 Topologie de retea tip plasa cu densitate ridicata si distante medii 3.10 Topologie de retea tip plasa cu densitate medie si distante mari 3.11 Topologii de retele de senzori wireless – (Single-Hop vs. Multi-hop) 3.12 Comunicare multi-hop 3.13 Standardul ZigBee 3.14 Rețea ZigBee 3.15 Calculare distanță logică 3.16 Cererea de rutare și stabilirea tabelei cu intrări 3.17 Accesare intrări tabela 3.18 Analiza conexiunii între 4 noduri 3.19 Graficul calității conexiunii 3.20 Fisier .txt cu datele obtinute 3.21 Modalitate de amplasare 1

4
 Figura Numele figurii 3.22 Modalitate de amplasare 2 3.23 Modalitate de amplasare 3 3.24 Modalitate de amplasare 4 3.25 Amplasare liniară nod 3.26 Reprezentarea datelor experimentale 4.1 Efectul Seeback 4.2 Termocuplu 4.3 Reglarea automată a temperaturii 4.4 NI WSN Starter Kit 4.5 Diagrama bloc a aplicației 4.6 Interfața aplicației 4.7 Senzor PIR 4.8 Schema de conectare 4.9 Montaj Nod – Senzor PIR 4.10 VI Senzor Prezență 4.11 Front Panel Senzor Prezența 4.12 VI Senzor Temperatură 4.13 Front Panel Senzor Temperatură 4.14 Senzor de apăsare brick 4.15 Conectare senzor de apăsare 4.16 Montaj Nod – Senzor de apăsare 4.17 VI Senzor Apăsare 4.18 Front Panel Senzor Apăsare 4.19 Ethernet Gateway 4.20 3202 Node 4.21 3212 Node [7] 4.22 Amplasarea rețelei de senzori în laboratorul în care s-au derulat experimentele

5
 
  LISTA TABELELOR Tabel Numele tabelui 3.1 Date experimentale ale celor 4 posibilități de amplasare nodurilor si gateway-ului 3.2 Corelare valori-calitatea semnalului 3.3 Distanța de amplasare a nodurilor vs calitatea semnalului 4.1 Relatii de transformare ale temperaturii 4.2 Tipuri de termocupluri

6
 1. Introducere În contextul în care printre problemele secolului nostru se află resursele din ce în ce mai puține dar și încălzirea globală, eficientizarea și optimizarea proceselor industriale dar și a celor la scală redusă este esențială. Interacțiunea omului cu și în mediul înconjurător nu a fost niciodată mai importantă. In paralel trebuie găsit un echilibru care să țină cont și de comfort și gradul de mobilitate al oamenilor într-o lume în care 1 minut poate să facă o diferență. În conducerea acestor procese atât de vitale, elementele cheie sunt achizițiile datelor în timp real și existența unor algoritmi clari care să ducă la satisfacerea cerințelor cu un grad de abatare cât mai mic. Pentru achiziția datelor se folosesc în mare parte rețele de senzori wireless datorită flexibilității acestora și eficienței în monitorizare. Și totuși, de ce este nevoie și de monitorizare? Primul răspuns ar fi că trebuie supravegheați parametrii critici ai unui proces a căror ieșire din limite ar duce la provocarea unor avarii. Al doilea este că prin monitorizare se pot verifica dacă procesele tehnologice au fost respectate de către cei care le-au condus (fie om, fie mașină) [1]. Lucrarea de fața studiează câteva tehnologii moderne de monitorizare și conducere pentru clădiri inteligente. Totodată prezintă un studiu de caz în care se va evidențiază importanța unui anumit parametru implicat în proces. De asemenea, cel de-al doilea studiu de caz prezentat în această lucrare propune rezolvarea unei probleme concrete într-un mediu particular ales. Manuscrisul tehnic este structurat pe 5 capitole. Lucrarea începe cu o introducere în care se prezintă scopul și motivația alegerii temei. În cadrul capitolului doi, intitulat “ Conceptul de << Clădire Inteligentă>> “ sunt analizate functionalitățile și structura unei clădiri inteligente urmărind particularități cheie și nevoile satisfăcute. În capitolul trei al lucrării, intitulat “Rețele de senzori wireless” sunt prezentate structuri și arhitecturi posibile, avantajele folosirii acestora, problemele aparute și cum se pot integra ele în unitatea de referință aleasă, << Clădirea Inteligentă>>. Studiul de caz prezentat la sfarsitul acestui capitol se refera la impactul distanței și asezării senzorilor wireless asupra comunicației dintre noduri. Capitolul patru al memoriului tehnic este un studiu de caz în care este implementat un proces de monitorizare și reglare automata a temperaturii într-o sală de conferință. Ultimul capitol evidențiază beneficiile utilizării rețelelor de senzori wireless într-o clădire inteligentă și importanța algoritmului implementat.

7
 
 2. Conceptul de “ Clădire Inteligentă” Tehnologia folosită pentru clădirile inteligente poate să fie inovativă dar folosește o tehnologie de bază. Un dispozitiv “inteligent” este un aparat cu o extensie, un sistem de conducere, un calculator atașat care îi oferă acestuia mai multă funcționalitate. Aceste functionalități il fac atât de important. În cadrul acestui capitol conceptul de “Casă Inteligentă” va fi definit precum și elementele componente ce oferă acel plus de funcționalitate și complexitatea structurii acesteia. 2.1 Definiție
 O clădire inteligentă reprezintă fuziunea dintre tehnologie, proiectare și sisteme energetice. Acestea sunt bine gestionate, au infrastructura fizică și digitală bine integrate care furnizează servicii optime de ocupare în mod fiabil, rentabil și sustenabil. Clădirile inteligente ajută proprietarii lor să îmbunătățească fiabilitatea activelor și performanțele, care la rândul lor, reduc consumul de energie, optimizează modul în care este utilizat spațiul și minimizează impactul asupra mediului al clădirilor lor.
Figura 2.1: Sisteme de conducere și monitorizare într-o casă inteligentă [2] Printre proprietățile unei clădiri inteligente, amintim: • ofera date legate de performanțele sistemelor și facilităților din clădire • monitorizează în timp real și detectează erori sau deficiențe în sistemele de construcție • raportează în timp real și utilizează gestionarea operațiunilor, energiei și confortul ocupantilor • include instrumente, tehnologii, resurse și sisteme pentru a contribui la conservarea energiei și durabilității mediului

8
  2.2 Funcționalitatea unei “clădiri inteligente” Putem privi o clădire inteligenta ca pe un sistem care se împarte în urmatoarele subsisteme: • subsistemul de tehnica informațională și telecomunicații • subsistemul de asigurare a securității și alarmare • subsistemul de reglare automată și supraveghere a distributiei energiei • subsistemul surselor de alimentare fara intreruperi • subsisteme pentru utilități • centrul de supraveghere și conducere
Figura 2.2: Functionalitățile unei clădiri inteligente [3] Prin subsistemele enumerate mai sus, trebuie sa fie asigurată maximizarea urmatoarelor: • confortului specific pentru diversele activități ale ocupanților • creativității • securității • minimizarea costurilor privind resursele necesare

9
 2.3 Structura unei “clădiri inteligente” Când vorbim de structura unei clădiri inteligente, vorbim de rețeaua de automatizare a acesteia. Rețeaua de automatizare a unei cădiri inteligente este o interconexiune de rețele hardware și software centralizate care monitorizează și controlează mediul în spații comerciale, industriale și instituționale. În timp ce gestionează diferite sisteme de construcție, sistemul de automatizare asigură performanța clădirii și siguranta și confortul ocupantilor.
Figura 2.3: Structura unei clădiri inteligente [4]
 Cele mai multe rețele de automatizare constau într-o magistrală primară și una secundară care conectează automatele programabile de nivel înalt (în general specializate pentru automatizarea clădirilor, dar pot fi și automate programabile generice) cu regulatoare de nivel inferior, dispozitive de intrare/ieșire și o interfață cu utilizatorul (de asemenea, cunoscut sub numele de un dispozitiv de interfață om-mașină). Aceste magistrale primare, respectiv secundare pot fi și de tip wireless.
Figura 2.4: Exemplu de rețea de automatizare într-o clădire inteligentă [9]

10
 3. Rețele de senzori wireless Trăim într-o lume în care avansul tehnologic se vede cu ochiul liber. Suntem înconjurați de mainși, dispozitive și elemente de legătură. Nevoia de autonomie, costuri reduse și o cantitate cât mai mică de energie consumată pentru masurare, procesare și comunicație se regăsește în dispozitivele numite noduri care pot forma o rețea de senzori. Capitolul de fața prezintă un studiu al rețelelor de senzori capabili să comunice radio (wireless). Se vor studia posibilele moduri de utilizare, structuri și arhitecturi. La sfârșitul capitolului este prezentat un studiu de caz privind impactul distantei și al asșzării asupra comunicației dintre noduri. 3.1 Definiție și utilizare Dezvoltarea în tehnologia fără fir este în mare măsură, sprijinită de progresele metodelor de fabricație ale circuitelor digitale, de radiofrecvență precum și de apariția circuitelor integrate cu consum energetic redus. Noile tehnologii au dus la echipamente radio scalabile, ieftine și fiabile. În paralel cu extinderea și diversitatea dispozitivelor făraă fir, dorințele și nevoile consumatorilor au alimentat o expansiune la scară largă a sistemelor de comunicații fără fir. În timp ce mulți senzori sunt conectați la automate programabile și stații de procesare în mod direct (de exemplu, folosind rețele locale), un număr tot mai mare de senzori comunica fără fir. În acest caz datele sunt colectate la o stație de prelucrare centralizată. Acest lucru este important, deoarece multe aplicații de rețea au nevoie de sute sau mii de noduri de senzori, de multe ori desfășurate în zone îndepărtate și inaccesibile. Prin urmare, un senzor wireless are nu doar o componentă de detectare, dar, de asemenea, și una de prelucrarea, comunicare, și capacități de stocare locale. Cu aceste îmbunătățiri, un nod senzor este adesea responsabil nu numai pentru colectarea de date, dar, de asemenea, pentru analiză în rețea, corelație, și de fuziune a datelor proprii senzori și date din alte noduri de senzori. Când mulți senzori cooperează pentru a monitoriza medii fizice mari, ele formează o rețea de senzori wireless (WSN). Nodurile de senzori comunica nu numai între ele, dar, de asemenea, și cu o stație de bază (BS) folosind unde radio care le permit să trimită datele pentru prelucrare, vizualizare, analiză, și sisteme de stocare la distanță [5]. Figura 3.1 prezintă o rețea de senzori wireless care transmit date din locatii diferite (Filed 1, 2) catre o statie de centralizare din care datele sunt preluate prin internet pentru a fi stocate, analizate, extrase si procesate [5].
Figura 3.1: Rețea de senzori wireless

11
 Capacitățile nodurilor de senzori dintr-un WSN pot varia foarte mult: senzorii de pe nodurile simple pot monitoriza un fenomen fizic unic, în timp ce dispozitivele mai complexe pot combina mai multe tehnici de detecție diferite (de exemplu: acustice, optice, magnetice). Ele pot fi diferite, de asemenea, prin capacitățile lor de comunicare. Astfel pot folosi ultrasunete, infraroșu sau tehnologii de frecvențe radio cu rate și latențe de date diferite. În timp ce senzorii simplii pot numai să colecteze și să comunice informații cu privire la mediul observat, dispozitivele mai puternice (de exemplu: dispozitivele cu capabilitati de procesare, energie și capacitățile de stocare mari) pot efectua, de asemenea, funcții de agregare și prelucrare extinse. Retelele wireless pot fi produse în mai multe moduri precum: • prin integrarea sistemului de comunicații făă fir în senzor • prin adăugarea unor module wireless la o retea deja existentă • prin conectarea de modem-uri • folosind repetoare, gateway-uri sau inregistratoare de date Dintre caracteristicile unei rețele wireless se pot aminti: • eficiența energetică • dimensiunea redusă a unui nod • complexitate redusă În general o rețea wireless este folosită în mediul industrial pentru că acestea permit folosirea lor fără încărcarea mediului cu cablaje. Ele detectează anumite evenimente pentru determinarea lor dar și pentru a observa modul în care influențează dinamica unor mărimi. Printre avantajele lor mai amintim și posibilitatea de a transmite date la intervale mici. 3.2 Structură și arhitecturi Arhitectura unei rețele de senzori este dependentă de aplicația pentru care este folosită și în care este integrată. In figura 3.2 este prezentată un tip de arhitectură de senzori wireless în care se observă: mediul de programare folosit (LabView) , necesitatea unei conexiuni gazdă, diferite tipuri de gateway-uri (dispozitive care fac legătura dintre rețea și restul aplicației) și tipuri de noduri National Instruments. O retea de senzori wireless este alcătuită dintr-o multitudine de noduri. Aceste noduri care sunt capabili să extragă informații de la toți senzorii conectați în rețea sunt limitați în ceea ce privește distanța pe care poate să transmită date. Nodurile sunt cele care efectuează o măsurătoare și trimit ceea ce obțin mai departe, acestea pot fi considerate drept sisteme de achiziție de date particulare. Evoluția sistemelor de achiziție și distribuție de date, denumite pe scurt sisteme de achiziție de date (SAD) este strâns legată de dezvoltarea tehnicii în general și a industriei în special. Se poate aprecia că în momentul de față există două mari categorii de SAD: sisteme de achiziție pentru utilizări generale, folosite în cele mai diverse scopuri (cercetare, educație, etc.) și sisteme de achiziție utilizate în mediul industrial.

12
  Figura 3.2: Exemplu de arhitectura [7] Sistemele de achiziție pentru aplicații industriale prezintă câteva caracteristici care le deosebesc față de SAD pentru utilizări generale. În primul rând, aceste sisteme rezultă prin conectarea unui număr variabil de traductoare (senzor împreună cu circuitele electronice aferente) la o unitate centrală de procesare și comandă, care se interfațează cu operatorul uman. Dependent de natura procesului industrial deservit, sistemul de traductoare acoperă o arie geometrică mai mult sau mai puțin extinsă, fapt ce impune probleme specifice de soluționat: pe de o parte, problema transmiterii la distanță a informației achiziționate iar pe de altă parte, este necesară stabilirea unui echilibru optim între cantitatea de informație procesată local (lângă traductor) și informația vehiculată și prelucrată în unitatea centrală de procesare și comandă [10]. Dacă ne referim la SAD de uz general, evoluția acestora a fost în mod decisiv influențată de dezvoltarea calculatorului personal, la care acestea sunt, în general, conectate. Asemenea sisteme au în principal rolul de a achiziționa date specifice unui anumit proces în vederea unei prelucrări ulterioare, procesarea având loc, de regulă, cu însăși calculatorul la care sunt conectate. În același timp, calculatorul permite interacțiunea utilizatorului cu SAD, prin intermediul unei interfețe grafice-utilizator specializată. Retelele wireless pot fi produse in urmatoarele moduri: • prin integrarea sistemului de comunicații fără fir în senzor sau instrument • prin adaugarea de module wireless senzorilor sau instrumentelor existente • prin conectarea cu modem-uri • folosind repetoare, gateway-uri sau înregistratoare de date

13
  Rețeaua care constă din dispozitive autonome distribuite spațial utilizează senzori pentru a monitoriza condițiile fizice sau de mediu. Aceste dispozitive autonome, noduri și rutere se combină cu un gateway pentru a crea un sistem WSN tipic. Nodurile de măsurare distribuite comunica fără fir la un portal central, care acționează în calitate de coordonator rețea care se ocupă de autentificare pe nod, trimitere de mesaje și ajută la conexiunea intre rețeaua wireless IEEE 802.15.4 cu rețeaua Ethernet prin cablu de unde se pot colecta, procesa, analiza și prezentarea datelor masurate. Figura 3.3 prezintă o rețea tipică National Instruments de senzori wireless, în care cele trei noduri (temperatura, oxigen și voltaj) care achiziționează date specifice sunt configurate ca noduri finale.
Figura 3.3: Exemplu de retea tipică cu noduri, gateway și calculator central [6] Nodurile din rețea pot fi configurate să acționeze ca noduri finale sau rutere. În ambele configurații, nodurile pot colecta datele de măsurare de la senzori, controla canalele digitale, sau pot fi programate cu ajutorul LabVIEW pentru capacități mai avansate. Când se face configurarea nodurilor trebuie luat în considerare consumul de energie. Pentru a păstra energia bateriei, un nod final va sta în mod inactiv în cea mai mare parte a timpului (în funcție de intervalul de esantionare definit de utilizator). Activarea se va face doar pentru culege și a transmite date, împreună cu alte informații interne. Spre deosebire de un nod final, un nod ruter este mereu activ (treaz) și poate retransmise în continuarea date din alte noduri înapoi la poarta de acces (gateway). Acest lucru va permite rețelei să se extindă la distanță și să se ajungă la o bună fiabilitate a rețelei de senzori wireless. Deoarece ele întotdeauna transmit date, nodurile ruter sunt proiectate pentru a utiliza alimentare externă în orice moment pentru a trimite, primi mesaje de tampon la și de la nodurile finale. Gateway-urile și nodurile lucrează împreună pentru a forma o rețea de tip plasă. Gateway-ul menține o listă de noduri (în funcție de numărul de serie) care au fost autorizate pentru accesul la rețea. Când un nod este pornit acesta scanează după rețelele disponibile, localizează fie un gateway sau ruter și încearcă să se conecteze la el. În cazul în care poarta de acces are nodul în lista, nodul se alătură rețelei, descarcă cea mai recentă configurare de la poarta de

14
 acces, și începe funcționarea sa normală de achizitie a datelor de măsurare și control al ieșirilor digitale. Din moment ce fiecare nod se alătură unei rețele în loc sa se alature unui anumit ruter sau gateway, acesta poate găsi o nouă cale înapoi la poarta de acces în cazul în care semnalul este pierdut sau blocat în traseul de rețea predefinit. În acest fel, rețeaua de tip plasă se poate auto-formare și de auto-vindeca. Cu toate acestea, acest lucru poate provoca, de asemenea, scăderea debitului de rețea deoarece nu există nici o modalitate de a forța un nod ruter sau final să adere la un dispozitiv anume din rețea. De fiecare dată când un nod se alătură retelei printr-un ruter, debitul general al acelui nod este redus la jumătate, datorită faptului că nodul trebuie sa facă un salt pentru a transmite mesajele sale înapoi la poarta. Figura 3.4. prezintă un exemplu de configurație de tip plasă cu noduri rutere si gateway.
Figura 3.4: Configurație 1 de tip plasa [8] În această configurație, R1 (ruter) și R2 (ruter) comunică direct cu poarta de acces (G). Măsurătorile efectuate de către ambele dispozitive pot ajunge direct la poarta de acces fără a fi nevoie să facă salturi prin alte noduri. Cu toate acestea, configurația de mai sus nu este singura opțiune. Figura 3.5 prezintă o altă configurație posibilă pentru aceeași rețea. În această configurație, R1 poate comunica în continuare cu G, dar R2 este acum conectat prin R1. Acest lucru înseamnă că toate măsurătorile luate de R2 trebuie să dacă un salt prin R1 înainte de ajunge înapoi la poarta de acces. În plus, R1 este acum responsabil pentru a trimite datele sale proprii de măsurare dar și datele nodului R2. Această configurație este considerată cel mai rău caz de implementare al sistemului cu un salt pentru ca atât R2 cât și R1 au posibilitatea de conectare printr-un ruter care este conectat la poarta de acces. Se recomandă configurarea sistemului pentru un număr maxim de 3 salturi. Configurarea mai multor noduri ca rutere și plasarea acestora la o distanta mica introduce posibilitatea ca sistemul sa fie conectat ineficient.

15
  Figura 3.5: Configuratie 2 de tip plasa [8] Figura 3.6 arată cum un sistem poate sa fie conectat ineficient (stanga) și eficient (dreapta).
Figura 3.6: Conectare ineficienta vs. conectarea eficientă [8] Rețeaua ineficienta poate fi îmbunătățit în două feluri. Prima posibilitate este conversia unor rutere în noduri finale. Cea de a doua este configurarea rețelei astfel încat să prevină ruterele să fie într-o rază de acțiune reciprocă (separate fizic de o distanță sau prin introducerea unor obiecte care cresc interferențe radio, cum ar fi clădiri). Un alt avantaj al rețelei de tip plasă este abilitatea de a prelungi distanța de măsurare. Prin plasarea de rutere de-a lungul spatiului în care se dorește achiziționarea de semnale se pot extinde zona și distanța pe care datele de măsurare pot fi achiziționate și trimise. Într-un mediu în aer liber fără obstacole un singur salt de comunicație poate extinde raza de acțiune până la 300m. Se recomandă nu mai mult de trei salturi de la orice dispozitiv la gateway, ceea ce înseamnă că măsurătorile se pot extinde până la 900m de la poarta de acces.

16
  Figura 3.7: Folosirea nodurilor de tip ruter pentru extinderea razei de actiune [8] Crearea unei rețele de încredere și eficiente de senzori wireless necesită o înțelegere a mediului fizic în care va fi plasată rețeaua, precum și o înțelegere a așteptarilor din partea configurației. În plus trebuie luat în considerație faptul că dispozitivele de tip “mamă” (rutere și gateway-uri) pot avea doar un maxim de opt noduri finale legate de ele la un moment dat. Acest lucru înseamnă că, pentru a atinge densitatea maximă de 36 noduri pentru o poarta de acces, trebuiesc incluse noduri de tip ruter în topologie. Dacă se dorește să se pună în aplicare o topologie tip stea, în care niciun ruter nu este utilizat, se pot conecta doar opt noduri finale la gateway, așa cum se vede în figura 3.8.
Figura 3.8: Topologie stea cu un numar maxim de 8 noduri finale [8] Pentru a atinge limita de 36 de noduri pentru un gateway se pot introduce noduri ruter în sistem. Configurarea sistemului va depinde de aplicatia creată dar două dintre cele mai frecvente topologii plasă cu 36 de noduri sunt ilustrate în figurile de mai jos. În topologia ilustrată în figura 3.9, punctele de măsurare pot fi împrăștiate de-a lungul unei suprafațe mari, care este la o distanta de numai 2 salturi de poarta de acces.

17
  Figura 3.9: Topologie de retea tip plasa cu densitate ridicata si distante medii [8] Dacă distanța este mai importantă decât densitatea de măsurare în aplicatia creată, se poate proiecta o topologie în care nodurile finale sunt la o distanța de trei salturi de poarta de acces, așa cum se vede în figura 3.10 de mai jos.
Figura 3.10: Topologie de retea tip plasa cu densitate medie si distante mari [8] Cea mai comună și cunoscută tehnologie de rețea wireless pentru sisteme mobile este familia de standarde IEEE 802.11 care a fost introdusă în 1997. Acesta utilizează benzi de frecvență diferite, de exemplu, banda de 2,4 GHz este folosită de IEEE 802.11b și IEEE 802.11g, în timp ce protocolul IEEE 802.11a folosește banda de frecvență de 5 GHz. IEEE 802.11 a fost folosit frecvent în rețelele timpurii de senzori wireless și încă pot fi găsite în rețelele de curent atunci când cererile de lățime de bandă sunt mari (de exemplu, pentru senzori multimedia). Cu toate acestea, consumul mare de energie necesar pentru standardul 802.11 IEEE îl face inadecvat pentru rețele de senzori de joasă putere. Cerințele tipice pentru o rețea de senzori sunt comparabile cu lățimile de bandă furnizate de dial-up modem-uri, prin urmare, IEEE

18
 802.11 oferă mai mult decât este necesar. Acest lucru a dus la dezvoltarea de o varietate de protocoale care satisfac mai bine nevoia de rețele cu consum redus de energie și cu rate joase de transfer date. De exemplu, protocolul IEEE 802.15.4 a fost special conceput pentru comunicații cu raza scurtă de acțiune în rețele de senzori de joasă putere și este suportată de majoritatea nodurilor de senzori academici și comerciali. Când raza de transmisie ale unor noduri de senzori este suficient de mari, iar senzorii pot transmite datele lor direct la stația de bază, nodurile pot forma o topologie stea așa cum se arată pe stânga în figura 3.11.
Figura 3.11: Topologii de retele de senzori wireless – (Single-Hop vs. Multi-hop) [5] În această topologie, fiecare nod comunică direct cu stația de bază, folosind un singur salt. Cu toate acestea, rețele de senzori acoperă adesea zone mari geo-grafice și puterea de transmisie radio ar trebui să fie menținută la un nivel minim pentru a conserva energia, prin urmare, comunicarea multi-hop (figura 3.12). este preferată pentru retelele de senzori wireless. În această topologie de tip plasă (mesh), nodurile trebuie să capteze și prelucreze datelor proprii și sa colaboreze cu alte noduri pentru a propaga datele spre stația de bază. Această problemă de rutare, sarcina de a găsi o cale de multi-hop de la un nod la o stație de bază, este una dintre cele mai importante provocări și a beneficiat de o atenție imensă de la comunitatea de cercetare [5].
Figura 3.12: Comunicare multi-hop [15]

19
  3.3 Constrângeri Chiar dacă rețelele de senzori sunt asemănătoare cu alte sisteme distribuite, ele prezintă o varietate unică de constrângeri. Aceste constrângeri au un impact mare asupra structurii unei rețele și duc la protocoale și algoritmi care diferă de cele din alte sisteme distribuite. O retea de noduri cu senzori wireless funcționează cu o energie limitată. De obicei, aceste retele sunt alimentate de baterii care trebuie sa fie înlocuite sau încarcate. În anumite cazuri, când sursa de alimentare este epuizată, întregul nod este înlocuit. Strategia pentru consumul de energie depinde de posibilitatea de încarcare a bateriilor unui nod. Pentru ca multe rețele sunt nevoite să funcționeze în zone izolate și în condiții aspre de mediu, acestea nu dispun de infrastructura de suport sau de posibilitatea de mentenanță sau reparare. Drept urmare, un nod trebuie sa fie capabil să se auto-configureze, să opereze și să colaboreze cu alte noduri, să se adapteze la erori, schimbări în mediul ambient și schimbări în factorii externi fără intervenție umană. Siguranța datelor stocate și prelucrate de un nod este de asemenea o constrângere importantă. Comunicația wireless face posibilă și facilă interceptarea și sabotarea unei transmisii. Drept urmare, este nevoie de existența unor operațiuni de blocare a accesului sau autentificare pe noduri. Dimensiunile mari și constrangerile de energie fac rețelele de senzori wireless să fie incompatibili cu algoritmi centralizați. Nodurile trebuie să interactioneze cu nodurile din jurul acestora pentru a lua decizii la nivel local. Faptul că deciziile sunt luate la nivel local duce la o optimizare slabă dar cu un consum de energie mai eficient decât în cazul algoritmilor centralizati. 3.4 Standardul ZigBee Zigbee se bazează pe standardul IEEE 802.15.4 și este utilizat în aplicații care necesită o rată scăzuta de transmisie a datelor, viață lungă a bateriei și sigurantă în rețea. ZigBee are o rată definită de 250 kbit/s, cea mai potrivită pentru date achiziționate periodic sau intermitent sau pentru o singură transmisie de semnal de la un dispozitiv de intrare sau senzor. Standardul ZigBee a fost dezvoltat pentru a satisface următoarele nevoi: • Costuri reduse • Securitate • Fiabilitate și auto-vindecare • Flexibilitate și extensibilitate • Consum redus • Simplitate și preț redus pentru implementare • Globalitate cu utilizare de benzi radio nelicentiate • Inteligența integrată pentru setarea rețelei și dirijarea mesajelor ZigBee este singura tehnologie care se adresează necesităților unice de monitorizare și conducere la distanță pentru majoritatea aplicațiilor pentru rețelele de senzori.

20
  Figura 3.13: Standardul ZigBee [14] ZigBee Alliance este o asociatie cu peste 285 companii care lucrează împreună pentru a crea produse fiabile și cost-eficiente, de mică putere, în rețea wireless, monitorizare și controlul produselor bazate pe un standard global deschis. Această alianță se focalizează pe următoarele: • Definirea rețelei, securitate și straturi de aplicații software • Asigurarea interoperabilității și conformarea cu specificațile de testare • Promovarea brand-ului ZigBee la nivel global pentru a sensibiliza piața • Administrarea evoluției tehnologiei Există numeroase aplicații care sunt ideale pentru capabilitățile redundante, de auto-configurare și auto-vindecare ale rețelei ZigBee, printre care: • Energy Management and Efficiency : pentru a oferi informații și control mai mare de utilizare a energiei, se furnizează clienților servicii mai bune cu mai multe opțiuni, cu resurse administrate mai bine și se ajută la reducerea impactului asupra mediului. • Home Automation : pentru a oferi o administrare mai flexibilă a iluminatului, încălzirii și răcirii, securității și sistemelor de home entertainment din orice colț al casei • Building Automation : pentru a integra și centraliza gestionarea de iluminat, încălzire, răcire și securitate. • Industrial Automation : pentru a extinde fiabilitatea controlului proceselor. Rețeaua ZigBee include următoarele tipuri de dispozitive: coordonatori, rutere și dispozitive terminale.
Figura 3.14: Retea ZigBee [14]

21
 Coordonatorul pornește și controlează rețeaua în timp ce stochează informații despre rețea, ce include să actioneze ca un centru de operatii pentru chei de securitate. Ruterele extind acoperirea retelei, creează în mod dinamic o rută în jurul obstacolelor și rute de backup în caz de congestie a rețelei sau defecțiune a dispozitivelor. Se pot conecta la coordonator și alte routere, și, de asemenea, suportă dispozitive “copil”. Dispozitivele terminale pot primi sau transmite un mesaj, dar nu poate efectua orice operații de rutare. Acestea trebuie să fie conectate fie la coordonator sau la un router și nu acceptă dispozitive “copil”. Algoritmul de rutare ZigBee se bazează pe noțiunea de rutare cu "vector-distanță" (DV) în care fiecare ruter ZigBee care participă la o relocare de cadre de la o anumită sursă la o anumită destinație menține o intrare din tabela de rutare pentru rută. Această intrare, ca un minim, înregistrează atât o " distanță logică" până la destinație cât și adresa următorului router aflat în calea către această destinație. Figura 3.15: Calculare distanta logica [14] Rutele sunt stabilite la cerere utilizând un proces de descoperire în care dispozitivul inițial emite o cerere de rutare iar dispozitivul destinatar trimite înapoi o rută posibilă.
Figura 3.16: Cererea de rutare si stabilirea tabelei cu intrari [14] Odată ce au fost stabilite rutele ca intrări în tabelă, acestea pot fi folosite după bunul plac. Figura 3.17: Accesare intrari tabela [14]

22
  3.5 Studiu de caz: Impactul distanței și așezării asupra comunicației dintre noduri S-au efectuat două experimente. În primul experiment s-a folosit o rețea formată din 4 noduri și s-a observat calitatea conexiunii în functie de amplasare și distanta dintre noduri. Cel de-al doilea experiment a făcut observarea calitătii conexiunii dintre un nod și gateway precum si observarea aplicabilității ecuației de transmisie a lui Friis. 𝑃!𝑃!=  𝐺!𝐺  !  𝜆4  𝜋  𝑅! Aceasta relație este punctul de plecare pentru toate analizele legate de propagarea undelor radio. Undele radio folosite în comunicații au frecvențe între 30kHz și 30GHz. Știind că lungimea de undă (notată λ) este raportul dintre viteza luminii și frecvență, vom obține o gama între 10km și 10cm. Astfel, în funcție de frecvența folosită, undele se vor comporta în mod diferit în prezența obstacolelor. Ecuația de propagare în spatiul liber introdusă de Friis prezintă atenuarea suferită în timpul propagarii în cazul în care nu există nici un obstacol, nici măcar Pamantul, care să duca la pierderi suplimentare. Totul pleacă de la echipamentele de emisie și receptie, adică antenele. Cea mai simplă antena este antena izotropă, care emite la fel în toate direcțiile. O antena directivă este o antenă care emite/receptionează mai puternic pe o anumită direcție. Antenele directive sunt cele mai folosite. Pe direcția specificată, antena amplifică semnalul cu un anume număr de decibeli, numit câstig (sau “gain”, din engleză) notat cu G. Atenuarea introdusă transmisiei se calculează ca raportul dintre puterea receptionată Pr și cea emisă Pt, unde puterea se masoară în watti. Atenuarea depinde de câștigurile antenei de transmisie 𝐆𝐭 și recepție 𝐆𝐫 și de distanța dintre antene R. În aceasta formulă N este factorul de atenuare. Experimental s-a demonstrat că în mediile indoor, N este între 2 și 6. Nodul a fost amplasat la 5 distanțe diferite. Aplicația folosită pentru măsurarea calității conexiunii se numește WSN Link Quality Logger și a fost dezvoltată de National Instruments.

23
  Figura 3.18: Analiza conexiunii între 4 noduri În figura 3.18 se poate observa rularea programului cu nodurile aflate în rețea. Programul arată conexiunea nodurilor, “Node Connected”, calitatea conexiunii, “Link Quality”, și consumul bateriilor, “Battery Voltage”. Trebuie subliniat faptul că bateriile sunt folosite pentru a alimente cele patru noduri. După un timp de 5 minute, aplicația a fost oprită și s-a observat pe un grafic obținut automat, diferențele de comunicație între cele 4 noduri. Datele obținute sunt salvate într-un fisier .txt pentru a da posibilitatea unei prelucrări ulterioare.
Figura 3.19: Graficul calității conexiunii

24
  Figura 3.20: Fisier .txt cu datele obtinute În fisierul .txt regăsim date importante pentru o prelucrările ulterior precum: data și ora la care s-au efectuat experimentele, frecvența cu care au fost citite valorile, nodurile de pe care s-au înregistrat datele și valorile propriu-zise care ilustreaza calitatea conexiunii. Aceste valori pot fi cuprinse între 0 si 100, 0 fiind conexiune inexistenta și 100 fiind o calitate excelenta a conexiunii. Cele 4 modalitati de așezare ale nodurilor au fost următoarele: Modalitatea 1 de amplasare:
Figura 3.21: Modalitate de amplasare 1 Cele 4 noduri au fost amplasate la distanțe de 5.5 m, 7, 4.5 și 4 m în structură vizibilă în figura 3.21. Elementele componente în retea sunt: 3 End Node-uri, 1 Mesh Router și 1 Gateway. În urma experimentelor s-a demonstrat că aceasta a fost ce mai proastă modalitate de așezare, calitatea conexiunii fiind cea mai redusă dintre cele 4 alese.

25
  Modalitatea 2 de amplasare:
Figura 3.22: Modalitate de amplasare 2 Amplasarea nodurilor nu diferă de modalitatea 1 însa configurația a fost setată pentru 4 End Node-uri și 1 Gateway. S-a observat că modalitatea 1 de amplasare a avut o conexiunea mai buna datorită Mesh Router-ului existent în configuratie. Modalitatea 3 de amplasare:
Figura 3.23: Modalitate de amplasare 3 În acest caz, s-a ales o amplasare liniară pentru toate cele 4 End Node-uri la distante de 2m și 3m cum este prezentat in Figura 3.23. Această amplasare a avut cele mai bune rezultate.

26
 Modalitate 4 de amplasare:
Figura 3.24: Modalitate de amplasare 4 În cazul amplasării unui singur End Node la o distanța de 10m de cel mai apropiat nod, s-a observat o deteriorare semnificativa a calității conexiunii. În urma rulării programului, pentru primul experiment s-au observat urmatoarele valori ale intensitatii semnalului: Tabelul 3.1: Date experimentale ale celor 4 posibilități de amplasare nodurilor si gateway -ului Amplasare Intensitatea medie a semnalului pe NOD 1 Intensitatea medie a semnalului pe NOD 2 Intensitatea medie a semnalului pe NOD 3 Intensitatea medie a semnalului pe NOD 4 Modalitatea 1 96 85 92 95 Modalitatea 2 96 82 90 95 Modalitatea 3 93 96 88 96 Modalitatea 4 95 96 33 96

27
 Calitatea semnalului în funcție de intervalul în care se situează valoarea numerică a intensității semnalului se poate citi folosind tabelul de mai jos: Tabelul 3.2: Corelare valori-calitatea semnalului Valori Numerice Calitatea conexiunii 87 – 100 Excelentă 71 – 86 Bună 55 – 70 Satisfăcătoare 35 – 54 Slabă 0 – 34 Slabă Cel de-al doilea experiment a presupus amplasarea unui singur nod la distante diferite pentru a ilustra ecuația de transmisie a lui Friis. Figura 3.25: Amplasare liniară nod Experimentul a presupus amplasarea unui singur nod la distanțe diferite. Prima plasare a fost la o distanța de 1,5 m față de gateway. Pe măsura ce distanța a crescut liniar cu 1,5m, s-a observat o degradare a semnalului. Aceasta degradare nu a fost constantă, ea depinzând foarte mult de mediul interior ales, de obstacole, de perturbații. Tabelul 3.3: Distanța de amplasare a nodurilor vs calitatea semnalului Distanța nodului față de Gateway Link Quality 1,5 m 98 3 m 82 4,5 m 79 6 m 82 7,5 m 81 Analiza datelor experimentale poate fi realizată folosind figura 3.26.
Figura 3.26: Reprezentarea datelor experimentale

28
 4. Studiu de caz: Aplicație de monitorizare a temperaturii și a gradului de ocupare într-o sală de conferință În următorul studiu de caz s-a ales prezentarea unei situații reale în care a fost analizată eficiența unei rețele de senzori wireless pentru monitorizarea temperaturii și a gradului de ocupare într-o sală de conferințe. 4.1 Formularea problemei și specificarea cerințelor Pentru acest studiu de caz s-a ales urmatorul scenariu: sala de conferință dintr-o clădire inteligentă este dotată cu senzori de temperatură, senzori de prezență și senzori de apăsare. În funcție de numărul de oameni din sală dar și de intervalul orar, comanda ventilatiei și a sistemului de încălzire – răcire va fi pornit sau va menține aerul din incintă la o temperatură constantă. 4.2 Reglarea temperaturii în sistemul dorit Temperatura este mărimea care caracterizează starea de încălzire a unui corp. Măsurarea temperaturii se face cu ajutorul termometrelor. Măsurarea temperaturii este o problemă legată de definirea acestei mărimi cât și de utilizarea unor scări de temperatură adecvate metodelor practice de măsurare. Se lucrează în general cu două noțiuni: • temperatură empirică (practică) – prin care se înțelege un parametru termic care are proprietatea că întrun sistem izolat format din mai multe corpuri în contact termic, condiția necesară și suficientă de echilibru este ca toate corpurile să aibă aceeași valoare a temperaturii; • temperatură absolută (termodinamică) – prin care se înțelege factorul de proporționalitate al schimbului de energie prin efect termic pentru fiecare corp dintrun sistem termodinamic. Pentru măsurarea temperaturilor se definește o scară precisă cu valori stabile și reproductibile între care să fie stabilite relațiile de interpolare și care să fie cât mai apropiată de Scara termodinamică de temperatură derivată din legile termodinamicii. Unitatea de măsură In Sistemul International (SI) este Kelvinul (K). Temperatura 0 K este numită zero absolut și este punctul in care moleculele și atomii au cea mai mică energie termică. Se mai folosesc alte două scări de temperatură: scara Fahrenheit în Statele Unite și scara Celsius în țările europene.[11] Relațiile de transformare a temperaturi exprimate în scările Kelvin, Celsius și Fahrenheit sunt prezentate în tabelul 4.1. Tabelul 4.1: Relatii de transformare ale temperaturii[11] Transformare din Transformare în Formula Celsius Kelvin K = oC + 273,15 Kelvin Celsius oC = K – 273,15 Fahrenheit Celsius oC = (oF – 32) / 1,8 Celsius Fahrenheit oF = oC x 1,8 + 32 Fahrenheit Kelvin K = (oF + 459,67) / 1,8 Kelvin Fahrenheit oF = 1,8 x K – 459,67

29
 Măsurarea electrică a temperaturii prezintă importanță în ceea ce privește mărimile termice, indirect putând fi folosită la măsurarea debitelor, a presiunilor joase, a valorii efective a tensiunilor și curenților. Temperatura de măsurat nu este identică cu temperatura măsurată din cauza efectuării unor schimburi de căldură între mediu și traductor.[11] Termoelectricitatea este relația dintre temperatura unei substanțe și energia electrică. În anumite condiții, energia electrică și căldura pot fi convertite reciproc. Dacă variațiile energiei electrice datorate conversiei energiei termice pot fi măsurate, acestea pot fi corelate cu temperatura substanței.[12]
Figura 4.1: Efectul Seeback [12] Atunci când o pereche de două metale diferite sunt sudate formând o buclă închisă, iar cele două joncțiuni se află la temperaturi diferite (fig 4.2), bucla va fi parcursă de un curent electric a cărui intensitate depinde de diferența dintre temperaturile joncțiunilor. Acesta este efectul Seebeck care este folosit pentru măsurarea temperaturilor. Efectul Seebeck constă în apariția unei tensiuni electromotoare nete într-un circuit cu două joncțiuni între metale diferite, aflate la temperaturi diferite. Pentru aceleași două metale diferite și o aceeași diferență de temperatură dintre joncțiuni, tensiunea electromotoare netă (suma algebrică a celor două t.e.m.) este aceeași. Ea poate fi măsurată și calibrată în unități de masură a temperaturii. Dacă cele două joncțiuni se află la aceeași temperatură , tensiunea electromotoare netă este nulă. În momentul în care temperatura uneia dintre cele două joncțiuni începe să se schimbe, apare o t.em. netă , care este cu atât mai mare cu cât diferența dintre temperaturi este mai mare. Acesta este principiul pe care se bazează funcționarea termocuplului.[12]
Figura 4.2: Termocuplu [12]

30
 Termocuplul este compus din două fire metalice diferite sudate, astfel încât să formeze un circuit închis (figura 4.3). Sonda propriu-zisă este reprezentată de una din joncțiuni (joncțiunea de măsură sau joncțiunea caldă) care poate fi pusă într-o manta protectoare. Ea este plasată în mediul a cărui temperatură vrem să o măsurăm. Mărimea și sensul curentului care va parcurge circuitul atunci câd joncțiunile se află la temperaturi diferite depinde de diferența de temperatură și de tipul metalelor folosite. De regulă, t.e.m. rezultantă este mică (de ordinul mV). Un voltmetru conectat în circuit reprezintă „ieșirea” pentru utilizator și este calibrat în unități de temperatură. Pentru o bună acuratețe a rezultatelor, cea de a doua joncțiune (joncțiunea de referință sau joncțiunea rece) trebuie menț inută la o temperatură constantă, eliminând astfel erorile datorate driftului termic. Joncțiunea de referință este denumită și joncțiune rece, chiar dacă temperatura ei (de regulă 0oC) poate fi mai mare decât temperatura joncțiunii de măsură. T.e.m. rezultantă nu este influențată de dimensiunile conductorilor, de ariile suprafețelor joncțiunilor sau de modul în care sunt sudate metalele. Metalele tipice folosite pentru construcț ia termocuplurilor sunt rodiul, aliajele de nichel și crom, aliajele de aluminiu și nichel sau aliajele de nichel și cupru. Metalele care se împerechează cu acestea sunt platina, cuprul și fierul. Incinta de protecție în care este introdusă joncțiunea de măsură trebuie să fie rezistentă din punct de vedere mecanic și la mediile corozive.[12] În tabelul 4.2 sunt prezentate tipurile de termocupluri și caracteristicile lor, precum și notațiile internaționale folosite pentru ele. Tabelul 4.2: Tipuri de termocupluri [12]
Cromel(aliaj90%Ni+10%Cr) Constantan(aliaj 55%Cu+45%Ni) Alumel(aliajNi+Al)

31
 Termocuplurile sunt folosite pe scară largă la măsurarea temperaturilor solidelor, lichidelor sau gazelor: • în furnale • metale topite • în reactoare nucleare • monitorizarea temperaturii în timpul operațiilor medicale • măsurarea temperaturii obiectelor foarte mici, de exemplu a componentelor electronice semiconductoare[12] În general, ele sunt ieftine și versatile. Utilizând termocupluri se pot măsura temperaturi de la – 265oC până la 2300oC, cu o precizie care depinde de felul de metalelor folosite pentru construcția lor. Dintre senzorii cu care temperatura se măsoară direct, termocuplurile acoperă cel mai larg domeniu de temperaturi. Ele răspund destul de rapid la variațiile de temperatură dar au o acuratețe mai mică decât termometrele cu rezistență metalică.[12] Toate sistemele de reglare a temperaturii se pot considera sisteme de reglare ale transferului de căldura. Din cauza caracteristicilor acestui transfer, procesele respective au constante de timp mai mari decât ale proceselor în care se reglează debitul, presiunea sau nivelul. Aceste procese prezintă o serie de trăsături specifice: • reprezintă de regulă sisteme stabile în buclă deschisă • relațiile dintre mărimile ce caracterizează o instalație termică sunt de obicei funcții continue line, care pot fi liniarizate cu usurință • nu conțin de regulă elemente oscilante, adică ecuațiile lor caracteristice, obținute în urma liniarizării, au numai rădăcini reale negative • reprezintă sisteme filtrante care atenuează puternic oscilațiile de frecvență înaltă • prezența timpului mort se face simțită în special în instalațiile în care se încălzesc fluide Intârzierile care apar în măsurarea temperaturii sunt de asemenea un factor important. Traductoarele de temperatură sunt de obicei introduse într-un tub de protecție pentru a efectua înlocuiri în caz de defectare fără întreruperea procesului. Viteza de răspuns a elementului de măsurare a temperaturii depinde de felul în care este realizat, de materialul tubului de protecție și de natura și viteza fluidului în care este introdus. Traductorul de temperatură trebuie de asemenea montat în locul unde coeficientul de transfer al căldurii este cel mai mare posibil. [13] Procesele care au constante de timp și timp mort mici pot fi reglate cu sisteme dotate cu regulatoare bipoziționale. Reglarea bipozițională se utilizează în special la procesele cu încălzire electrică, la cuptoarele cu tuburi radiante și în cuptoarele cu flacără în care nu se reglează presiunea în cuptor. Sistemul de reglare bipozițional cu zona de histerezis poate să realizeze reglarea temperaturii cu o abatere de 1% față de mărimea de referință. Când diferența dintre temperatura maximă dezvoltată de instalație și temperatura de lucru ( sau diferența dintre puterea maximă a instalației și sarcina curentă) este mare, transferul de căldură este intens și o reglare bipoziționala are oscilații mari de amplitudine. În acest caz se recomandă utilizarea unor regulatoare liniare cu structură PI sau PID. Regulatoarele de tip PI sunt cel mai frecvent utilizate, în special când perturbațiile de sarcină sunt mari și frecvente. Regulatoarele PID sunt indicate în cele mai multe reglări de temperatură în care constantele de timp sunt mari.

32
 În cadrul experimentărilor realizate pe acest sistem se pot utiliza pentru reglarea temperaturii trei tipuri de echpamente: • regulatoare electronice continue cu structura PID ( cu ieșire continuă și cu ieșire discontinuă ) • regulator numeric configurat pentru algoritm bipozitional sau algoritm PID • calculator PC cu placa de achiziție cu programe pentru reglare bipoziționala sau reglare cu algoritm PID numeric sau algoritmi optimali [14] Sistemele de reglare automată a temperaturii sunt printre cele mai utilizate atât în economie cât și în aplicații casnice. Din punct de vedere al destinație sistemele de reglare automată a temperaturii pot fi sisteme pentru instalații frigorifice sau sisteme pentru instalații de încălzire [11]. În multe situații, schemele pentru măsurarea temperaturii sunt incluse în bucle de reglare a temperaturii pentru incinte termostate. Dacă încălzirea se face electric, nu este indicat ca alimentarea schemei de măsurare să se facă de la aceeași sursă de putere ca și rezistorul de încălzire, deoarece pot apare cuplaje parazite importante, care măresc histerezisul temperaturii reglate. În acest caz este indicat ca alimentarea pentru încălzire să se realizeze în curent alterenativ, iar alimentarea schemei de măsurare în curent continuu. În cele mai simple instalații termice, schema bloc a unui sistem de reglare a temperaturii este cea din figura 4.3. Sistemele de reglare a temperaturii din instalațiile frigorifice sunt realizate, în majoritatea cazurilor, prin intermediul echipamentelor specializate cu acțiune continuă sau cu regulator bipozițional. În instalațiile termice la care timpul mort este mare, este necesară utilizarea sistemelor de reglare cu regulator PID sau PI. În unele situații, când timpul mort este foarte mare (Tm > T), se impune utilizarea unor regulatoare speciale (cu acțiune prin impulsuri).
Figura 4.3: Schema bloc a unui sistem de reglare a temperaturii[11] Temperatura t din incinta 1 este realizată prin intermediul serpentinei 2, parcursă de agent termic (atunci când t > t0, unde t0 este temperatura mediului ambiant) sau de agent de răcire (atunci când t < t0). Dacă temperatura t are tendința să crească, regulatorul R comandă

33
 micșorarea secțiunii de trecere a organului de reglare – în cazul instalațiilor de încălzire – sau mărirea secțiunii de trecere – în cazul instalațiilor frigorifice [11]. Pentru obținerea unor performanțe superioare la reglarea automată a temperaturii se poate adopta un sistem de reglare în cascadă (figura 4.3).
Figura 4.3 Reglarea automată a temperaturii[11] Bucla de reglare automată a temperaturii, conținând traductorul de temperatură Tr1 și regulatorul R1, include o buclă de reglare a debitului, formată din traductorul de debit Tr2, regulatorul R2 și elementul de execuție EE. Dacă temperatura t tinde să scadă față de valoarea prescrisă, regulatorul de temperatură R1 impune o valoare prescrisă mai mare la regulatorul de debit R2. Bucla de reglare interioară stabilește debitul la noua valoare prescrisă, astfel încât temperatura t crește, revenind la valoarea impusă. Sistemul de reglare în cascadă reacționează foarte eficace la o perturbație de tipul unei variații a presiunii agentului termic la intrare. Dacă presiunea crește brusc, crește și debitul agentului termic, existând tendința ca temperatura t să crească. Creșterea debitului este sesizată de traductorul Tr2 și, în consecință, regulatorul R2 acționează imediat, dând comanda de micșorare a secțiunii de trecere a organului de reglare. Debitul este adus la valoarea impusă înainte ca temperatura din incintă să aibă variații importante [11]. 4.3 Structura aplicației și tehnologii folosite Pentru a implementa cazul prezentat s-a folosit kitul NI WSN Starter Kit ( Figura 4.7 ) care contine doua noduri NI WSN-3202 si doua noduri de masura a temperaturii NI WSN-3212 si un gateway NI WSN-9791. Aplicația dezvoltată a fost rulată folosind softul special LabVIEW. Programele LabView sunt denumite instrumente virtuale sau VIs (Virtual Instruments). Operațiile și aspectul lor imită instrumentele fizice cum ar fi osciloscoape și multimetre. LabVIEW conține un set cuprinzător de instrucțiuni pentru achiziția, analiza, afișarea și memorarea datelor. În LabVIEW se poate construi o interfață utilizator sau un panou frontal (Front Panel) cu elemente de control și indicatori. Elementele de control sunt butoane rotative, butoane de apăsare, cadrane și alte dispozitive de intrare.

34
 
Figura 4.4: NI WSN Starter Kit [7] După ce a fost construită interfața utilizator vom adăuga codul folosind VIs și structuri pentru a controla obiectele panoului frontal. Diagramele bloc conțin aceste coduri. Folosim LabVIEW pentru a comunica cu dispozitive hard de control a mișcării, a imaginii, a achiziției de date. Aplicația a fost dezvoltată în jurul următorului studiu de caz: monitorizarea temperaturii într-o cameră în care este detectată prezența oamenilor ( și a numărului acestora) , monitorizarea consumului bateriilor nodurilor și a calității conexiunii între acestea și comanda unei unități de încălzire-răcire în funcție de intervalul orar și numărul oamenilor din incintă. Senzorul de apăsare, în funcție de depășirea unui prag determinat experimental, va afișa valorile citite de la nodul alocat și va decide pe baza acestor valori câte locuri sunt ocupate. Pragul de decizie este variabil și se poate adapta în funcție de specificul aplicației. Se interoghează ora sistemului pentru a decide intervalul orar în care ne încadrăm și se activează unul dintre cele două moduri de funcționare. În cazul în care ne aflăm în timpul zilei și senzorul de prezență detectează un anumit nr de persoane, comanda ventilației și a sistemului de încălzire-răcire ia în calcul gradul de ocupare al incintei. Pe timpul nopții, sistemul de încălzire-răcire este dezactivat, funcționalitatea sistemului limitându-se la alarmarea în cazul detecției, prin intermediul senzorilor PIR, a unor persoane neautorizate în zonele de interes monitorizate. În aplicație sunt vizibile și nodurile folosite, calitatea conexiunii între acestea și starea bateriilor.

35
 
Figura 4.5: Diagrama bloc a aplicației Interfata intuitiva cu utilizatorul este prezentata in figura 4.6.

36
  Figura 4.6: Interfața aplicației 4.4 Structura hardware În rețeaua de senzori wireless au fost conectate următoarele componente: • senzor de prezeță PIR care detecteză razele infraroșii emise de corpul uman care a fost alimentat la 12 V
Figura 4.7: Senzor PIR [16] Schema de conectare la End Node:
Figura 4.8: Schema de conectare [17]

37
  Figura 4.9: Montaj Nod – Senzor PIR Test funcționalitate: Folosind LabVIEW s-a creat următorul VI, prezentat in figura 4.13, pentru a testa buna funcționare a senzorului de prezență. Intrarea digitală DIO0 este legată de un LED. Led-ul trece pe culoarea verde numai când senzorul a detectat o prezență. Timerul este folosit pentru ca datele sa fie preluate dupa un număr exact de milisecunde, în acest caz 100 ms. Toate elementele VI-ului sunt introduse într-o buclă WHILE pentru ca preluarea datelor să fie in mod continuu. Figura 4.10: VI Senzor Prezență Figura 4.11: Front Panel Senzor Prezența • senzor de temperatură (termocuplu ) care funcționează pe baza efectului Seebeck care conduce la formarea unei diferențe de potențial electric pe baza unei diferențe de potențial termic. Acesta se compune din două fire din metale diferite, numite termoelectrozi, sudate la un capăt. Test funcționalite: Folosind LabVIEW s-a creat urmatorul VI, prezentat în figura 4.15, pentru a testa buna funcționare a senzorului de temperatură. Intrarea TCO este legată de un Waveform Chart pentru afișarea rezultatelor. Timerul este folosit pentru ca datele să fie preluate după un număr exact de milisecunde, în acest caz 250 ms. Toate elementele VI-ului sunt introduse într-o buclă WHILE pentru ca preluarea datelor sa fie în mod continuu. În interfața utilizatorului se poate observa creșterea temperaturii într-un grafic intuitiv. Prin prezența butonului de STOP oprirea rulării programului se poate face rapid.

38
  Figura 4.12: VI Senzor Temperatură Figura 4.13: Front Panel Senzor Temperatură • senzor de apăsare 0.67 cm BRICK sesizează gradul de apăsare pe pastila senzorului. Caracteristica senzorului nu este liniara, ci variază aproximativ logaritmic cu forța aplicată. Conține un rezistor de 10K cuplat în configurație de divizor de tensiune împreună cu senzorul activ (montat în zona acoperită cu plastic roșu). De asemenea, pentru rezistența mecanică sporită, zona de conectare a firelor pe plăcuță este protejată cu plastic rosu.
Figura 4.14: Senzor de apăsare brick[16] Figura 4.15: Conectare senzor de apăsare [16]
Figura 4.16: Montaj Nod – Senzor de apăsare Test funcționalite: Folosind LabVIEW s-a creat următorul VI, prezentat în figura 4.20, pentru a testa buna funcționare a senzorului de apăsare. Intrarea analogică AIO este legată de un indicator special pentru indicarea presiunii citite. Timerul este folosit pentru ca datele să fie preluate după un

39
 număr exact de milisecunde, în acest caz 250 ms. Toate elementele VI-ului sunt introduse într-o buclă WHILE pentru ca preluarea datelor să fie în mod continuu. În interfața utilizatorului se poate observa gradul de apăsare într-un indicator intuitiv. Prin prezenta butonului de STOP, oprirea rulării programului se poate face rapid. Figura 4.17: VI Senzor Apăsare Figura 4.18: Front Panel Senzor Apăsare • NI WSN- 9791 Ethernet Gateway ( 2.4 GHz, protocol de comunicație IEEE ZigBee 802.15.4, conexiune Ethernet la un sistem de operare tip Windows sau LabVIEW Real-Times OS, -30-70oC ) Figura 4.19: Ethernet Gateway [7] • NI WSN – 3202 Node ( alimentat prin 4 baterii AA, 4 intrări analogice, 4 canale digitale configurabile, -40-70oC ) Figura 4.20: 3202 Node [7] • NI WSN – 3212 Node ( alimentat prin 4 baterii AA, 4 intrări de tip termocuplu, suportă termocupluri de tip J,K,R,S,T,N,B,E , 4 canale digitale configurabile, -40-70oC) Figura 4.21: 3212 Node [7]

40
 
Figura 4.22: Amplasarea rețelei de senzori în laboratorul în care s-au derulat experimentele 4.5 Rezultate obținute Sistemul de monitorizare a calității conexiunii dintre noduri a fost folosit pentru a demonstra dependența calității de distanța și mediul în care este amplasată rețeaua. Rezultatele obținute subliniază necesitatea adaptării unei topologii de rețea în funcție de condițiile de mediu și de cerințele sistemului. În urma integrării individuale a senzorilor în rețeaua propusă, aplicația colectează toate datele iar după prelucrarea acestora decide în vederea luării unor acțiuni prestabilite. Derularea experimentelor si rularea aplcatiei propuse a subliniat buna comportare a echipamentelor folosite și alegerea optimă a unei topologii de rețea. Într-o clădire inteligentă, soluția propusă cu rețele de senzori wireless este plauzibilă și implementabilă.

41
  5. Concluzii Scopul acestei lucrări este să studieze funcționalitatea și fiabilitatea unei rețele de senzori wireless într-o clădire inteligentă. Au fost evidențiate câteva din caracteristicile unei rețele și proprietățile acesteia. Printre avantajele folosirii unei rețele de senzori wireless se află ușurința cu care se efectuează măsurători în medii diferite, lipsa firelor și scalabilitatea rețelei. Eficiența se datorează și consumului redus de energie, datele fiind transmise în timp real și monitorizarea proceselor urmărite este facilă. S-a propus o aplicație care să permită reglarea și controlul unor parametrii ambientali într-o situație reală și s-au prezentat rezultatele experimentale obținute.

42
  Bibliografie [1] Ionel Nicolae, Monitorizarea la distanta a proceselor industriale, Electronica de Azi, Iunie 2013. [2] Daniel H. Wilson, Smart House-Your So-Called Sci-Fi Life, Popular Mechanics Technology News, Mai 2007. [3] Information and Comunication Technologies Institute, Proiectul Green-Mod extentie a proiectului Smart Building Ra&D project, finanțat de Hasler Foundation, (2012 – 2015). [4] KMC Controls, Understanding Building Automation and Control Systems, White Paper, 2012. [5] Waltenegus Dargie, Christian Poellabauer, Fundamentals of Wireless Sensor Networks, Wiley, ISBN-10: 0470997656, 2010. [6] National Instruments, Wireless Measurement Device Selection Guide, White paper 10700, Noiembrie 2012. [7] National Instruments, What is a Wireless Sensor Network? – Understanding the WSN Architecture, White paper 11529, Februarie 2011. [8] National Instruments, Wireless Sensor Network Topologies and Mesh Networking, White paper 11211, Martie 2010. [9] K.R. Wright, Building automation, Wikipedia, 2012. [10] Gacsadi Alexandru, Tiponut Virgil, Sisteme de achizitie de date, Editura Universitatii din Oradea, 2005. [11] Mihaela Pintea, Reglarea automata a parametrilor proceselor tehnologice, 2009. [12] S. D. Anghel, Masuratori electronice si traductoare, Universitatea „Babes-Bolyai”, Cluj-Napoca 1996. [13] Calin Sergiu, Reglarea numerica a proceselor tehnologice, E.T. Bucuresti, 1984. [14] Daintree Networks, Getting Started with ZigBee and IEEE 802.15.4, White paper, 2008. [15] www.uta.edu/utari. [16] www.robofun.ro [17] www.sparkfun.com