AS Automaatio- ja systeemitekniikan projektityöt Sisäilman laadun mittausjärjestelmän rakentaminen ZigBee-verkon avulla

Transkriptio

1 LOPPURAPORTTI AS Automaatio- ja systeemitekniikan projektityöt Sisäilman laadun mittausjärjestelmän rakentaminen ZigBee-verkon avulla As Automation- and systems technology project work Study points: 4 and 2 Name of the project work: Sisäilman laadun mittausjärjestelmän rakentaminen ZigBee-verkon avulla Starting date: Ending date: Authors: Ari-Heikki Rintaniemi (2 op) Joonas Sundberg (4 op) Supervisor: Panu Harmo Sisäilman laatu koostuu useista tekijöistä, joita ovat mm. lämpötila, kosteus, vetoisuus, pienhiukkasten määrä, kemiallisten yhdisteiden määrä sekä hiilidioksidin määrä. Tilojen toimivuutta ja hyvyyttä pitää voida mitata kannettavalla laitteistolla. Tässä työssä suunnitellaan ja edelleen kehitetään järjestelmää, joka mittaa huonetilasta lämpötilaa, kosteutta, hiilidioksidin määrää, valoisuutta, äänen voimakkuutta ja pölyisyyttä. Mittalaite rekisteröi myös ihmisten liikkumisen ko. tilassa käyttäen liiketunnistinantureita. Mittaustiedot lähetetään langattomasti mittaustietokantaan, joka sijaitsee palvelintietokoneessa. Kotipalvelintietokone, langattoman Zigbee-verkon komponentit ja perusohjelmisto ovat valmiina olemassa. Työssä edelleen kehitetään järjestelmää ja liitetään mahdollisesti uusia antureita siihen. Työssä perehdytään mikrokontrolleriohjelmointiin, langattomaan anturiverkkoon, Linux-ohjelmointiin sekä tiedonkeräykseen.

2 Sisältö 1. Johdanto Päämäärä ja tavoitteet Toteutuksen laajuus ja työn ositus Työn ositus Suoritusvaatimukset Ajankäyttö Aikataulu Työvaiheet Riskienhallinta Alkuperäiseen järjestelmään tehdyt muutokset Tietokanta Web-käyttöliittymä Käyttöliittymän toteutus Käyttöliittymän käyttäminen Hallinta-sivu Yhteenveto-sivu Kuvaajat-sivu Data-sivu Yhteensopivuus Testaus Tietokanta Käyttöliittymä Järjestelmätesti Konseptin kehittäminen Ehdotuksia järjestelmän jatkokehittämiseksi Yhteenveto Lähdeluettelo Liitteet A. Ohjeet kehittäjälle B. Ohjeet käyttäjälle C. Yleisimpiä ongelmatilanteita

3 D. Kuvia järjestelmästä

4 1. Johdanto Huoneen sisäilman laatuun vaikuttaa useita tekijöitä, kuten muun muassa lämpötila, ilman liikenopeus, pienhiukkasten määrä, kosteus, kemialliset yhdisteet sekä hiilidioksidin määrä. Huoneiston ilmastosta puhuttaessa mukaan otetaan lisäksi sisätilojen valoisuus ja äänitaso. Sisäilmasto voidaan luokitella Sisäilmastoluokitus oppaan mukaan kolmeen eri laatuluokkaan: (Sisäilmayhdistys ry, 2008) S1 Yksilöllinen sisäilmasto S2 Hyvä sisäilmasto S3 Tyydyttävä sisäilmasto. Ilmastoluokituksen tarkoituksena on toimia rakennus- ja taloteknisen suunnittelun ja urakoinnin apuna, kun tavoitteena on rakentaa viihtyisämpiä ja terveellisempiä rakennuksia. Luokituksella on merkittävä rooli esimerkiksi rakennusten energiatehokkuuden parantamisessa, jotta voidaan varmistaa, ettei energian säästämisellä heikennetä asumisolosuhteita. Tämän työn tarkoituksena on kehittää edelleen mittausjärjestelmää, jolla voidaan mitata osaa edellä mainituista tekijöistä ja jota voidaan käyttää apuna sisäilmaston laatuluokkaa määriteltäessä. Projekti pohjautuu edellisten projektikurssien ryhmien toteuttamiin töihin. Ryhmät ovat kehittäneet järjestelmää, joka sisältää kotipalvelintietokoneen, langattoman ZigBee-verkon ja perusohjelmistot sekä mittalaitteiston mikrokontrollereineen ja antureineen. Järjestelmä sisältää myös kaksi pienempää satelliittimittausasemaa, jotka mittaavat ilmankosteutta ja lämpötilaa. Tässä kevään 2011 projektissa aiempien ryhmien käyttämä laitteisto kootaan uudelleen ja sen nykyinen toimintataso testataan. Järjestelmää kehitetään hyödyntäen edellisten ryhmien parannusehdotuksia sekä projektin ohjaajan näkemystä. Erityisesti projektin aikana on tarkoitus parantaa järjestelmän käyttöliittymää ja tietokantaa sekä näin koko järjestelmän käytettävyyttä. Lisäksi tavoitteena on pohtia järjestelmän todellista käyttötarkoitusta ja konseptia tuotteistamisen näkökulmasta. 3

5 2. Päämäärä ja tavoitteet Projektin päämääränä on kehittää olemassa olevaa sisäilman laatua mittaavaa järjestelmää, joka koostuu huoneiston ilmastoa mittaavista antureista sekä keskuspalvelimesta. Järjestelmä perustuu keväällä 2010 aloitettuun ja kesällä sekä syksyllä projektikurssin puitteissa kehitettyyn järjestelmään, jossa on valmiina mittaukset huoneilman lämpötilalle, kosteudelle, meluisuudelle ja hiilidioksidille. Lisäksi järjestelmässä on antureiden puolesta valmius valoisuuden ja pölyisyyden mittaamiseen. Projektin keskeisenä tavoitteena on kehittää järjestelmää käytettävämmäksi, mikä aiotaan saavuttaa kehittämällä käyttöliittymää ja mittauslaitteilta kerättävän datan käsittelyä. Projektissa ei ole tarkoitus lisätä järjestelmään uusia mittalaitteita, mutta pyrkimyksenä on saattaa olemassa olevat, mutta syksyn projektin jäljiltä järjestelmästä puuttuvat kaksi satelliittianturia takaisin toimintaan. Tämän jälkeen järjestelmä muodostuu yhdestä verkkovirralla toimivasta keskusmittausasemasta, joka sisältää mittaukset lämpötilalle, kosteudelle, meluisuudelle ja hiilidioksidille sekä kahdesta paristokäyttöisestä satelliittiyksiköstä, jotka mittaavat lämpötilaa ja kosteutta. Järjestelmän keskuspalvelin aiotaan siirtää Linux-PC:ltä helpommin siirreltävään ThereGate-kotipalvelimeen, jonka kanssa meitä avustaa projektin assistenttina toimiva Anders Rex. Alkuperäisessä järjestelmässä mittaustiedot tallennetaan mitattavan suureen perusteella erillisiin tekstitiedostoihin, joihin perustuen mittauksia voi tarkastella kuvaajien muodossa hyvin yksinkertaisen web-käyttöliittymän avulla. Arvioimme web-käyttöliittymän soveltuvan sisäilmaston mittausjärjestelmän tarpeeseen hyvin kustannustehokkuutensa sekä joustavuutensa ansiosta, joten tarkoituksena on kehittää olemassa olevaa HTML/JavaScript-pohjaista käyttöliittymää edelleen lisäämällä siihen käyttäjää helpottavaa toiminnallisuutta. Valinta myös pienentää projektin toteutukseen liittyviä riskejä, sillä ryhmässä on valmiiksi kokemusta vastaavanlaisesta web-ohjelmoinnista. Käyttöliittymän lisäksi tarkoituksena on kehittää antureilta saatavan datan hallintaa korvaamalla mittausten tallettaminen tekstitiedostoihin SQLite-pohjaisella tietokannalla. Näin mittaustiedon tallettamisesta on tarkoitus tehdä helpommin hallittavaa. Projektin keskeisenä päämääränä on kehittää järjestelmän tuotekonseptia sekä pohtia reaalimaailman käyttötilanteita ja raportoida tuloksista työn loppuraportissa. 4

6 3. Toteutuksen laajuus ja työn ositus 3.1 Työn ositus Työ on jaettu seuraaviin osa-alueisiin: Olemassa olevaan järjestelmään tutustuminen Järjestelmän saattaminen toimintakuntoon ja testaaminen Puuttuvien satelliittiantureiden käyttökuntoon laittaminen Tietokannan lisääminen Käyttöliittymän kehittäminen Uuden järjestelmän testaaminen Uuden järjestelmän dokumentointi 3.2 Suoritusvaatimukset Ryhmän jäsenillä oli erilaiset tarpeet kurssin opintopisteiden suhteen, mikä vaati ylimääräistä suunnittelua työn osittamisen suhteen. Toinen opiskelijoista tarvitsi työstä neljä opintopistettä ja toinen vain kaksi, joten työ jaettiin yhteisesti toteutettavaan sekä toisen opiskelijan itsenäisesti toteuttamaan osaan. Alustavan suunnitelman mukaan projektin ydinosan muodosti laitteiston käyttökuntoon saattaminen, puuttuvien anturiyksiköiden lisääminen sekä mittaustietokannan suunnittelu ja toteutus. Lisäksi järjestelmän palvelin vaihdettiin Linux-PC:stä ThereGate-kotipalvelimeen. Projektin dokumentointi, tapaamiset ja kurssiin liittyvät muodollisuudet toteutettiin yhteistyönä. Ylimääräisen työn osuus on määrä muodostaa pääasiallisesti järjestelmän käyttöliittymän parantamisesta sekä käyttöliittymän integroinnista muuhun järjestelmään. Työn laajuus ja ositus opintopisteiden suhteen on esitetty taulukossa 1. Taulukko 1: Työn laajuus opintopisteissä. Työ Työn laajuus Laitteiston käyttökuntoon saattaminen Puuttuvien anturiyksiköiden lisääminen järjestelmään Mittaustietokannan suunnittelu ja toteutus Projektin dokumentointi HTML/JavaScript-pohjaisen käyttöliittymän kehittäminen uusien toimintojen ja käytettävyyden parantamisen kautta 2 opintopistettä/opiskelija Ari-Heikki Rintaniemi, Joonas Sundberg 2 opintopistettä, Joonas Sundberg 5

7 4. Ajankäyttö 4.1 Aikataulu Projektin osasuorituksille määrättiin kurssin puitteissa seuraavat takarajat: 2.2 Projektisuunnitelman esittely 23.3 Väliraportin esittely 11.5 Loppuraportin esittely 18.5 Loppuraportin palautus 4.2 Työvaiheet Taulukossa 2 on esitetty karkeasti työn ajankäytön suunnitelma viikon tarkkuudella. Työtunteihin on laskettu mukaan projektin hallintaan liittyvät toiminnat, kuten palaverit sekä raporttien esittelytilaisuudet. Työviikot on mitoitettu niin, että varsinaisen työn alettua viikosta käytetään 7 tuntia projektin parissa työskentelemiseen ilman raporttien esitystilaisuuksia. Näin laskettuna projektiin on varattu kaiken kaikkiaan 117 tuntia, mikä on enemmän kuin opintopistevaatimusten teoreettinen 108 tunnin työmäärä. Taulukossa projekti on ositettu osakokonaisuuksiinsa sekä kurssin asettamiin takarajoihin. Dokumentointi on projektin alusta loppuun asti jatkuva prosessi, eikä sitä ole eroteltu taulukon tapahtumissa. Työ pyritään saamaan kokonaisuudessaan valmiiksi loppuraportin esittelyyn mennessä viikolla 19. Ajankäyttöä seurattiin projektin edetessä ja mahdollisista muutoksista aikatauluun raportoitiin työn ohjaajalle. Väliraporttiin mennessä laitteistoon liittyvä työ oli pääosin saatu päätökseen ja laitteisto toimi yhdessä. Myös tietokanta oli pitkälti ehditty jo toteuttaa. Kaiken kaikkiaan suunniteltu ajankäyttö toteutui melko hyvin, joskin mikrokontrollereiden kanssa kohdatut ongelmat lisäsivät ajankäyttöä noin kymmenellä tunnilla. Myös dokumentoinnin viimeistely jouduttiin venyttämään viikolle 19, sillä raportista haluttiin tehdä hyvä, jotta seuraavat projektin parissa työskentelevät pääsisivät järjestelmän kanssa helpommin alkuun. Muilta osin suunnitelma piti hyvin loppuun asti. Toteutunut ajankäyttö on esitelty taulukossa 3 ja kumulatiivinen sekä viikkokohtainen ajankäyttö on lisäksi esitetty liitteen D kuvissa 9 ja 10. Taulukko 2: Projektin suunniteltu viikkoaikataulu työvaiheittain. Viikko Tapahtuma Työtunnit 3 Kurssin aloitus, aiheen valinta, edellisen projektin = 5 dokumentointiin tutustuminen 4 Ensimmäinen viikkopalaveri, 6 laitteistoon tutustuminen, projektisuunnitelman laatiminen 5 Projektisuunnitelman esittely, järjestelmään tutustuminen = Laitteiston toimintakuntoon saattaminen, puuttuvien 42 anturiyksiköiden lisääminen, testaus 12 Väliraportin esitys, käyttöliittymän ja tietokannan suunnittelu = Käyttöliittymän ja tietokannan toteutus Järjestelmätestaus, dokumenttien koostaminen Loppuraportin esittely ja palautus 3 Yhteensä 117 6

8 Taulukko 3: Projektin toteutunut viikkoaikataulu työvaiheittain. Viikko Tapahtuma Työtunnit 3 Kurssin aloitus, aiheen valinta, edellisen projektin 4 dokumentointiin tutustuminen 4 Ensimmäinen viikkopalaveri, 3 laitteistoon tutustuminen, projektisuunnitelman laatiminen 5 Projektisuunnitelman esittely, järjestelmään tutustuminen Laitteiston toimintakuntoon saattaminen, puuttuvien anturiyksiköiden lisääminen, testaus 12 Väliraportin esitys, käyttöliittymän ja tietokannan suunnittelu Käyttöliittymän ja tietokannan toteutus Järjestelmätestaus Loppuraportin esittely ja palautus, dokumenttien koostaminen ja viimeistely 12 Yhteensä 130 7

9 5. Riskienhallinta Seuraavassa esitetään alkuperäisessä suunnitelmassa tunnistettuja projektin liittyviä riskejä, niiden hallintaa sekä toteutumista väliraporttiin ja loppuraporttiin mennessä. Riskien on katsottu joko lisäävän projektiin käytettyä aikaa (negatiivinen vaikutus) tai vähentävän sitä (positiivinen vaikutus). 1. Kokemattomuus mikrokontrolleriohjelmoinnista ja ZigBeestä Vaikutus keskinkertainen; negatiivinen Todennäköisyys keskinkertainen Hallintakeinot suunnittelu, yhteydenpito edelliseen projektiryhmään ja henkilökuntaan Toteutuminen - Väliraportti Mikrokontrollerien koodiin ei juuri tarvinnut koskea. Kokeilujen perusteella kaksi mikrokontrolleria todettiin rikkinäisiksi. Tämän havaitseminen vei kuitenkin aikansa, sillä vian luultiin olevan tehonsyötössä tai koodissa. ZigBee vaikuttaa toimivan melko hyvin, joskin anturi saattaa joskus hävitä ja vaatia virtojen uudelleenkytkemistä. - Loppuraportti Riski on realisoitunut lähinnä mikrokontrollereihin liittyvien vikaselvitysten hitautena. 2. Olemassa olevan järjestelmän kunto Vaikutus suuri; negatiivinen tai positiivinen Todennäköisyys keskinkertainen Hallintakeinot suunnittelu, yhteydenpito edelliseen projektiryhmään ja henkilökuntaan Toteutuminen - Väliraportti Keskusyksikön kunnossa ei ole kehumista. Johtoviidakko on melkoinen ja osa johtojen liitoksista toteutettu epämääräisesti. Keskusyksikössä ollut regulaattori poistettiin tarpeettomana, sillä se ei toiminut vaan lähinnä ylikuumeni. Tästä johtuen mikrokontrollereiden teho otetaan paristoista. Laitteiston ja järjestelmän dokumentoinnissa on puutteita, jotka ovat aiheuttaneet hämmennystä. - Loppuraportti Keskusmittausaseman sekava tekninen toteutus sekä järjestelmän puutteellinen dokumentointi hieman lisäsivät projektin työmäärää. 3. Tietokannan valinta ja toteutus Vaikutus suuri; negatiivinen tai positiivinen Todennäköisyys keskinkertainen Hallintakeinot suunnittelu Toteutuminen - Väliraportti Andersin ehdottama SQLite vaikuttaa tällä hetkellä olevan varsin hyvä valinta ja Andersin avustuksella se saatiin pyörimään myös ThereGatessa. 8

10 - Loppuraportti SQLite osoittautui hyväksi valinnaksi ja sen toteuttamisen helppous mahdollisesti vähensi työmäärää johonkin toiseen tietokantaratkaisuun nähden. Ongelmia on aiheuttanut lähinnä tietokannan yhtäaikainen käyttö käyttöliittymän ja mittausjärjestelmän välillä. 4. Käyttöliittymän valinta ja toteutus Vaikutus pieni; negatiivinen tai positiivinen Todennäköisyys keskinkertainen Hallintakeinot suunnittelu, yhteydenpito edelliseen projektiryhmään ja henkilökuntaan Toteutuminen - Väliraportti Käyttöliittymän suunnittelu ja toteutus on hyvässä vauhdissa, eikä tähän liittyen ole tarvinnut turvautua ulkopuoliseen apuun. Toteuttamisen puolesta käyttöliittymävalinta vaikuttaa tällä hetkellä onnistuneelta. - Loppuraportti Käyttöliittymän valinta oli onnistunut ja käyttöliittymä toimii pääasiallisesti suunnitellusti. 5. Projektiryhmän yhteistyö ja työskentelytapojen tehokkuus Vaikutus suuri; negatiivinen tai positiivinen Todennäköisyys keskinkertainen Hallintakeinot suunnittelu, viestintä Toteutuminen - Väliraportti - - Loppuraportti Yhteistyö on toiminut hyvin läpi koko projektin. 6. Eroavat näkemykset kurssin suoritusvaatimuksista henkilökunnan kanssa Vaikutus suuri; negatiivinen tai positiivinen Todennäköisyys keskinkertainen Hallintakeinot suunnittelu, viestintä Toteutuminen - Väliraportti - - Loppuraportti Näkemyseroja ei ole ollut tai ne eivät ole vaikuttaneet projektin toteutumiseen. 7. Sairastapaukset ja muut työskentelyä rajoittavat tekijät Vaikutus suuri; negatiivinen Todennäköisyys keskinkertainen Hallintakeinot viestintä, dokumentointi Toteutuminen - Väliraportti - - Loppuraportti Projektiryhmä on pysynyt terveenä, eivätkä pienet sairastapaukset ole vaikuttaneet projektin toteutumiseen. 9

11 8. Alkuperäiseen järjestelmään tehdyt muutokset Alkuperäinen järjestelmä koostui Linux-PC-palvelimesta, Ilmari-ohjelmasta ja keskusanturiyksiköstä, jossa oli mittaukset lämpötilalle, kosteudelle, meluisuudelle, hiilidioksidille ja pölyisyydelle. Lisäksi järjestelmään oli aiemmin kuulunut kaksi satelliittianturia, jotka syksyn projektista oli jätetty pois. Kommunikointi antureiden ja palvelimen välillä oli toteutettu langattomasti ZigBee-verkon avulla. Lisäksi järjestelmään kuului syksyn projektissa rakennettu hyvin yksinkertainen web-pohjainen käyttöliittymä, joka mahdollisti anturidatan piirtämisen kuvaajiin sekä historiadatan tarkastelun yksinkertaisten työkalujen avulla. Ilmarin antureilta keräämä data säilöttiin tekstitiedostoihin ja käyttöliittymän käyttämiin JSON-tiedostoihin. Projektin aluksi puuttuvat satelliittiyksiköt etsittiin ja liitettiin takaisin järjestelmään. Satelliittiyksiköt sisältävät anturit lämpötilan ja kosteuden mittaamiseen. Syksyn projektissa järjestelmään lisätty pölyanturi todettiin liian epäluotettavaksi johtuen puutteellisesta ohjelmakoodista, joten se päätettiin poistaa järjestelmästä. Pölyanturin koodi olisi pitänyt kirjoittaa uudestaan ja lisäksi anturin käyttämä jännite oli syksyn jäljiltä liian pieni, eikä pölymittausta koettu niin tärkeäksi, että se olisi otettu mukaan projektin työlistalle. Verkkovirralla toimivasta keskusmittausasemasta poistettiin lisäksi mikrokontrollereille tarkoitettu regulaattori sen viallisuuden vuoksi ja aseman mikrokontrollereiden virtalähteiksi vaihdettiin paristot. Alkuperäisen laitteiston PC-palvelin poistettiin käytöstä ja tilalle otettiin pienikokoisempi ThereGate-palvelin, jotta palvelimen siirtäminen kohdetilaan olisi helpompaa. Ilmarin toimintaa muutettiin poistamalla mittausten tulostaminen teksti- ja JSON-tiedostoihin ja korvaamalla se SQLite3-tietokannalla. Ilmarin koodissa muutos tarkoitti SQLite3-kirjaston ottamista mukaan ohjelman kääntämiseen sekä lisäämällä toiminnallisuus mittausten syöttämiseksi tietokantaan kirjoittamalla zigbee_platform/source/linux_app/application_callback.c-tiedostoon funktio insert_to_database(double measurement, u16 sensorid). Lisäksi samasta tiedostosta on kommentoitu pois alkuperäinen mittausten tulostaminen tekstitiedostoihin. Mikrokontrollereiden ohjelmakoodia muutettiin vaihtamalla mikrokontrollerien mittausten keräämisväli 30 sekunnista minuuttiin vaihtamalla tiedoston common/hadev/hadev.h HADEV_TICK arvoksi 60 (aiemmin 30). Järjestelmän web-käyttöliittymä kirjoitettiin alusta asti uudestaan ja siihen lisättiin käyttöä helpottavaa toiminnallisuutta, kuten raporttien laatiminen mittausten pohjalta. Tietokanta käsittelee mittauksia suoraan SQLite3-tietokantojen pohjalta. 10

12 9. Tietokanta Järjestelmä käyttää SQLite3-tietokantaa mittaustietojen varastoimiseen. Tietokanta rakentuu kahdesta taulusta measurements ja settings. Tauluun measurements tallennetaan kaikki mittalaitteilta kerättävä tieto, kuten laitteen tunniste, anturin tyyppi, mittausarvo ja mittauksen ajankohta. Taulun rakenne on esitetty taulukossa 5. Taulua settings käytetään käyttöliittymässä tietokantaan liittyvien asetustietojen, kuten mittauksen nimen, tekijän ja sijainnin sekä laitteiden selkokielisten nimien tallettamiseen. Asetustaulun rakenne on esitetty taulukossa 6. Toimiakseen täysin järjestelmä vaatii, että tietokantatiedostojen sisältämät taulut ovat määrätyn muotoisia. Taulut voidaan luoda SQLite3- terminaalityökalulla komentamalla sqlite3 tietokannanimi.db ja antamalla avautuneessa terminaalinäkymässä seuraavat komennot: CREATE TABLE measurements ( id integer primary key, unit varchar(30) not null, sensor varchar(30) not null, measurement real not null, datetime datetime not null); CREATE TABLE settings ( id integer primary key, variable varchar(50) not null, value varchar(50), description varchar(50)); Käyttöliittymässä uutta tietokantaa luodessa käyttöliittymä kopioi olemassa olevan current.db-tietokannan ja nimeää sen uudestaan tehden siitä näin varmuuskopion. Uusi current.db tyhjennetään tämän jälkeen ja asetustauluun syötetään oletuksena taulussa Taulukko 4 esitetyt muuttujat. Ilmari yrittää syöttää mittaukset aina current.db-nimiseen tietokantaan, jonka on oltava olemassa Ilmarin hakemistossa ennen mittausten aloittamista. Myös käyttöliittymä yrittää oletuksena avata kyseisen nimisen tietokannan ja etsii tietokantoja oman juurihakemistonsa ylähakemistosta. Hakemistopolkua on mahdollista muuttaa käyttöliittymän koodista (index.php ja DataHandler.php). Taulukko 4: Asetustaulun (settings) oletussisältö. variable value description title Otsikko Otsikko author Tekijä Tekijä location Sijainti Sijainti device_1 Laite 1 Laite 1 device_2 Laite 2 Laite 2 device_3 Laite 3 Laite 3 device_4 Laite 4 Laite 4 Taulukko 5: Mittaustaulun (measurements) rakenne. Sarakkeen nimi Määritelmä Huomioita id mittauksen yksilöivä tunniste unit mittauslaitteen tunniste maks. 30 merkkiä, ei saa olla tyhjä sensor sensorityyppi maks. 30 merkkiä, ei saa olla tyhjä measurement mittausarvo reaaliluku, ei saa olla tyhjä datetime mittauksen ajankohta muodossa :59:59 11

13 Taulukko 6: Asetustaulun (settings) rakenne. Sarakkeen nimi Määritelmä Huomiota id taulun tunniste variable asetusmuuttujan nimi maks. 50 merkkiä, ei saa olla tyhjä value asetusmuuttujan arvo maks. 50 merkkiä, ei saa olla tyhjä description muuttujan kuvaus maks. 50 merkkiä, ei saa olla tyhjä 12

14 10. Web-käyttöliittymä Projektin keskeisenä päämääränä oli tehdä mittausjärjestelmästä käytettävämpi, mikä oli tarkoitus saavuttaa muun muassa parantamalla järjestelmän web-käyttöliittymää. Käyttöliittymään liittyviksi tavoitteiksi asetettiin mittaustietojen helpompi käsiteltävyys, mittaustietokannan käsittely käyttöliittymän välityksellä sekä raporttien luonti tarkoituksenmukaisessa muodossa mittausten pohjalta. Kaiken kaikkiaan tavoitteet saavutettiin hyvin ja käyttöliittymä on nyt selvästi aiempaa monipuolisempi. Sisäilmastonmittausjärjestelmälle toteutettiin web-pohjainen käyttöliittymä, jonka avulla voidaan kerätä järjestelmään liitetystä tietokannasta tietoa hallitusti. Järjestelmä sisälsi alun perin syksyllä 2010 toteutetun web-pohjaisen käyttöliittymän, joka mahdollisti yksinkertaisten kuvaajien piirtämisen mittaushistoriasta. Projektissa käyttöliittymä rakennettiin kokonaan alusta alkaen uudestaan. Uusi käyttöliittymä monipuolistaa kuvaajien käsittelyä sekä tarjoaa lisäksi numeerisen yhteenvedon ja mahdollistaa mittausten tallentamisen CSV-tiedostoon (Comma Separated Values), jonka avaaminen ja käsittely onnistuvat esimerkiksi Microsoft Excel -taulukko-ohjelmalla. Seuraavissa kappaleissa esitellään käyttöliittymän teknistä toteutusta sekä testausta. Lopuksi on kirjoitettu yleisiä ohjeita käyttöliittymän käyttöön liittyen Käyttöliittymän toteutus Käyttöliittymä on rakennettu noudattamaan yhä kehitteillä olevaa HTML5-standardia, joka tässä tapauksessa eroaa käytännössä vain DOCTYPE-määrittelyn osalta esimerkiksi HTML:n versiosta Näin ollen sivun keskeisten toimintojen voidaan odottaa toimivan hyvin niin vanhemmilla kuin tulevillakin selainversioilla. Sivut on teknisesti toteutettu käyttäen hyväksi ensisijaisesti PHP:tä ja HTML:ää sekä toissijaisesti JavaScriptiä. Sivuston tyylimuotoilut on toteutettu CSS-tyyliarkeilla (Cascading Style Sheets). Kaikki käyttöliittymän käyttämät PHP-skriptit on sijoitettu juurikansioon ja JS- sekä CSS-tiedostot juurikansion alikansioihin js ja css. Rakenteellisesti käyttöliittymä on jaettu neljään käyttäjälle näkyvään PHP-sivuun (käyttäjäsivut): Hallinta (index.php) Yhteenveto (summary.php) Kuvaajat (graphs.php) Data (data.php) Käyttäjäsivut on suunniteltu toisistaan riippumattomiksi, joten sivujen poistaminen tai lisääminen onnistuu käytännössä helposti tiedostoja poistamalla tai lisäämällä. Mainittujen sivujen lisäksi on toteutettu käyttäjäsivujen toimintaa tukevia skriptejä: navigation.php (sivuston navigointi, kaikki käyttäjäsivut) DataHandler.php (tietokantayhteydet, kaikki sivut) getdata.php (kuvaajien näyttämä mittausdata, kuvaajat-sivu) graphs.js (kuvaajien piirtäminen, kuvaajat-sivu) import.php (raporttien luonti, hallinta-sivu) index.js (päivämäärän valitseminen kalenterin avulla, hallinta-sivu) Sivujen tarkempi toiminnallisuus on dokumentoitu skriptitiedostoissa kommenttien muodossa. Projektin aikana toteutettujen tiedostojen lisäksi käyttöliittymä on riippuvainen seuraavista ulkoisista JavaScriptkirjastoista, jotka on sisällytetty projektin js-kansioon: 13

15 jquery.flot.min.js (kuvaajien piirtäminen, kuvaajat-sivu) jquery.flot.selection.min.js (kuvaajien tarkentaminen, kuvaajat-sivu) jquery.query js (osoiterivimuuttujien käsittely, kuvaajat sivu) jquery.ui.datepicker-fi.js (kalenterin suomenkieliset otsikkotekstit, hallinta-sivu) jquery min.js (jquery kirjasto JavaScriptillä tapahtuvan käsittelyn yksinkertaistamiseksi, hallinta- ja kuvaajat-sivu) jquery-ui cusom.min.js (jquery UI -laajennus kalenteritoiminnolla, hallinta-sivu) Yhteenvetona käyttöliittymässä on käytetty Ole Laursenin kehittämää flot-kirjastoa (Laursen) kuvaajien piirtämiseen, jquery-kirjastoa (Resig) HTML-dokumenttien JavaScript-käsittelyn helpottamiseksi sekä jqueryn UI-laajennusta (jquery team), jota käytetään kalenteritoiminnon lisäämiseksi Hallinta-sivulla. Apukirjastoista jquery ja jquery UI on lisensoitu GPL-lisenssillä (GNU General Public License) (Free Software Foundation, Inc, 2007) ja flot MIT-lisenssillä (Massachusetts Institute of Technology), jotka molemmat sallivat kirjastojen käytön, edelleen muokkaamisen ja levittämisen. GPL edellyttää, että kirjastoja käyttävä ohjelmisto on myös GPL-lisenssoitu. Sivuston tyyli on toteutettu CSS-tyylitiedostoilla siten, että jokaisella käyttäjäsivulla on oma nimellään varustettu tyylitiedosto sekä kaikkien käyttäjäsivujen jakama main.css-tyylitiedosto. Tyylitiedostot on jäsennelty siten, että määrittelyt ovat järjestyksessä: elementit, tunnisteet (id) ja luokat. Näiden lisäksi jquery UI:n kalenterilaajennus käyttää omaa tyylikirjastoaan, joka on sijoitettu omaan kansioonsa Käyttöliittymän käyttäminen Käyttöliittymä muodostuu neljästä käyttäjille näkyvästä sivusta, joiden käyttöä esitellään seuraavaksi tarkemmin Hallinta-sivu Hallinta-sivulla voidaan valita tarkasteltava tietokantatiedosto, aloittaa uusia mittaustietokantoja, tehdä muutoksia tietokannan asetustauluun ja ladata CSV-muotoisia raportteja tietokannasta. Sivu hakee tietokantatiedostot DataHandler.php- ja index.php-tiedostojen alussa määritetystä hakemistopolusta, joka tätä kirjoittaessa on asetettu käyttöliittymäkansion ylähakemistoksi (polku.. ). Mittaustietoja etsitään oletuksena current.db-nimisestä tiedostosta, joka on Ilmari-mittausjärjestelmässä määritetty järjestelmän käyttämäksi tietokannaksi. On huomioitava, että kyseisen nimisen tietokannan on oltava olemassa ja sen on oltava oikean muotoinen ennen Ilmarin ja käyttöliittymän käyttämistä. Tarkemmat tiedot tietokannasta ja sen taulujen muodosta on esitelty kappaleessa 9. Tietokanta sisältää mittaustaulun lisäksi asetustaulun, joka koostuu muuttujista, muuttujien arvoista sekä niiden lyhyistä kuvauksista. Tauluun tallennetaan oletuksena mittauksen nimi, tekijä, sijainti sekä neljän mittausaseman nimet. Olemassa olevien asetusmuuttujien muuttaminen onnistuu Hallinta-sivun kautta. Tietokannan asetuksia muuttaessa on hyvä varmistua siitä, että haluttu tietokanta on avattu. Valittu tietokanta näkyy avaamisen jälkeen Hallinta-sivun pudotuspalkissa valittuna sekä selaimen osoiterivillä muodossa database=tietokannanimi.db. Mikäli osoiterivi on tyhjä, Hallinta-sivu yrittää avata current.db-tietokannan. Uusi mittaus aloitetaan tyypillisesti painamalla Hallinta-sivun Uusi tietokanta -painiketta, joka kopioi olemassa olevan current.db-tietokannan ja nimeää kopioidun tiedoston muotoon backup_vvvvkkpp.db, missä VVVV on nelinumeroinen vuosiluku, KK kaksinumeroinen kuukausi ja PP kaksinumeroinen kuukauden päivä. Mikäli samanniminen tiedosto on olemassa, tietokannan nimeen lisätään juokseva numero alkaen 14

16 luvusta 2 (esimerkiksi backup2_ db). Syntynyt backup-tiedosto sisältää siis viimeksi tehtyjen mittausten varmuuskopion. Tämän jälkeen alkuperäinen current.db tyhjennetään ja alustetaan oletusarvoilla. Toimiakseen käyttöliittymä siis vaatii, että kopioitava tietokanta on olemassa, oikean muotoinen ja että luku- ja kirjoitusoikeudet ovat kunnossa! Kerätyt mittaukset voidaan tulostaa CSV-raporteiksi Lataa CSV -painikkeella, jonka yläpuolella olevilla valikoilla voidaan haluttaessa rajata osa mittauksista pois päivämäärän ja ajan perusteella. Mikäli rajoituksia ei aktivoida valintaruutujen avulla, raportti sisältää kaikki mittaustietokannan arvot. CSV-muotoinen raportti sisältää aluksi asetustaulun tiedot, kuten mittauksen nimen ja sen jälkeen tietokannan sisällön järjestettynä mittausten vastaanottamishetken perusteella vanhimmasta uusimpaan. Tiedosto on mahdollista avata esimerkiksi Microsoft Excel -taulukko-ohjelmalla, jonka kautta mittauksia voidaan käsitellä edelleen. CSV-raportin oletuserottimena on käytetty puolipistettä ;, mutta erotin on mahdollista vaihtaa import.php:tä $delimiter-muuttujan arvoa muuttamalla. Sivu on toteutettu pääosin PHP:llä ja JavaScriptiä on käytettyä lähinnä raportin aikarajoitteiden määrittämisen helpottamiseksi. Sivu toimii myös ilman JavaScript-tukea Yhteenveto-sivu Yhteenveto-sivu näyttää valitun tietokannan mittauksista laaditun yhteenvedon lukuina. Sivu sisältää erilliset yhteenveto-laatikot koko järjestelmän kaikille mittauksille sekä yksittäisille laitteille erikseen. Jokaisesta anturista näytetään maksimi, keskiarvo sekä minimi ja mittausten määrä. Lisäksi sivulla on mainittu ensimmäisen ja viimeisimmän mittauksen ajankohta. Sivu vaatii toimiakseen, että tietokanta on valittu osoiterivimuuttujalla. Tämä tapahtuu valitsemalla haluttu tietokanta Hallinta-sivun kautta tai lataamalla sivu navigaatiolinkkien avulla, jolloin tietokannaksi asetetaan oletustietokanta. Osoiterivimuuttujan muuttaminen käsin on myös mahdollista. Sivu on toteutettu kokonaisuudessaan PHP:llä ja toimii ilman JavaScript-tukea Kuvaajat-sivu Kuvaajat-sivu näyttää tietokannan mittaukset graafisesti viimeisen 24 tunnin ajalta, joka lasketaan tietokannan viimeisimmän mittauksen ajankohdasta. Mittaukset on jaettu mittaussuureen perusteella ja sivu mahdollistaa eri mittausasemien näyttämisen ja piilottamisen, vaakasuuntaisen suurennuksen ja sivun dynaamisen päivittämisen. Lisäksi kuvaajiin on mahdollista piirtää määritettyjä referenssikäyriä. Sivu lataa mittaustiedot erillisen getdata.php-tiedoston avulla, joka täyttää graafien piirtämiseen käytetyn flot-kirjaston tarvitsemat JSON-muuttujat tietokannan mittaustiedoilla. Tiedot haetaan tietokannasta ja lisäksi käyttäjä voi tiedostoa käsin muuttamalla määritellä referenssikäyriä tiedoston sisältämiin mittausmuuttujiin, jolloin hän voi halutessaan piirtää käyriä näkyviin todellisten mittausten rinnalla. Tiedostossa on malliksi toteutettu sisäilmaston luokitusrajat Sisäilmayhdistys ry:n julkaiseman ohjeistuksen mukaisesti lämpötilalle ja hiilidioksidille (Sisäilmayhdistys ry, 2008). Tiedosto getdata.php sisältää tarkemmat ohjeet rajojen muuttamiseksi ja uusien rajojen lisäämiseksi. Kuvaajien piirtämien käyrien mittauspisteitä on mahdollista tutkia tarkemmin viemällä hiiren kursori käyrien päälle, jolloin mittauspisteiden kohdalla näytetään kyseisen pisteen mittausasema, mittausarvo sekä ajankohta. Lisäksi kuvaaja mahdollistaa vaakasuuntaisen suurennuksen painamalla hiiren vasenta korvaa pohjassa kuvaajassa halutun aloitusajankohdan yläpuolella ja vetämällä hiirtä halutun aikavälin yli. Tarkennus voidaan palauttaa oletusarvoonsa painamalla hiiren vasenta korvaa kerran kuvaajan päällä. 15

17 Sivulla on mahdollista aktivoida dynaaminen päivitys, jolloin kuvaajat päivitetään oletuksena 15 sekunnin välein ilman, että käyttäjän tarvitsee päivittää sivua käsin. Päivitysväliä on mahdollista muuttaa graphs.jstiedostosta, joka on vastuussa sivun sisältämän JavaScriptin koordinoinnista. Sivu on toteutettu osittain PHP:llä, mutta keskeisest toiminnallisuudet nojaavat JavaScriptiin. On huomioitava, että sivu ei toimi ilman selaimen JavaScript-tukea Data-sivu Data-sivu näyttää tietokannan mittaustaulun sisällön sellaisenaan, mutta sarakkeiden otsikot suomeksi käännettyinä sekä laitteiden nimet asetustaulun asetettujen arvojen mukaisesti. Tietokannan sisältö on Data-sivulla jaettu oletuksena 500 merkintää sisältäviin sivuihin, joiden välillä käyttäjä voi navigoida taulukon yläreunan painikkeiden avulla. Sivua on mahdollista vaihtaa myös osoiterivin p-muuttujan arvoa muuttamalla. Yhdellä sivulla näytettävien merkintöjen määrää voi muuttaa data.php-sivun alussa olevan $limit-muuttujan arvoa muuttamalla. Sivu on toteutettu kokonaisuudessaan PHP:llä ja toimii ilman JavaScript-tukea Yhteensopivuus Käyttöliittymä on suunniteltu ajettavaksi Linux-pohjaiselta palvelimelta, johon on asennettu Apache HTTPpalvelinohjelmisto, SQLite3 sekä tuki PHP-versiolle tai uudemmalle. PHP:n tuki SQLite3-tietokannalle on lisäksi oltava aktivoituna. Käyttöliittymä on melko varmasti ajettavissa myös Windows-palvelimelta, mikäli asianmukaiset riippuvuudet ovat olemassa, mutta tämän testaamista ei koettu tarpeelliseksi. Käyttöliittymän käyttäminen on testattu seuraavilla käyttöjärjestelmillä: Ubuntu Linux Microsoft Windows XP SP3 Käytännössä käyttöliittymä vaatii täysin toimiakseen vain HTML-standardeja riittävissä määrin noudattavan selaimen sekä riittävän JavaScript-tuen. JavaScript-tuki on välttämätön ainoastaan kuvaajien piirtämistä varten. Käyttöliittymän on todettu oleellisilta osiltaan toimivan seuraavilla selaimilla: Mozilla Firefox 3.6 Google Chrome Microsoft Internet Explorer 8 (ongelmia flot-kirjaston kanssa, mutta käyttöliittymä toimii kuitenkin kuvaajien piirtämistä lukuun ottamatta normaalisti) HTML5-standardin ja sitä myötä selaimien kehittyminen saattaa vaikuttaa erityisesti Kuvaajat-sivun toimivuuteen tulevaisuudessa, mutta sivusto on pyritty kokonaisuudessaan suunnittelemaan siten, että se toimisi hyvin, jopa paremmin, tulevilla selainversioilla. 16

18 11 Testaus Järjestelmälle tehtiin yksikkötestejä projektin kuluessa. Lämpötila- ja kosteusmittausantureille annettiin yksinkertaisia impulssisyötteitä esimerkiksi sulkemalla anturi hetkeksi nyrkin sisälle, ja tuloksia tarkkailemalla havaittiin, että anturi reagoi syötteisiin loogisesti ja tulokset olivat mielekkäitä. Lisäksi mittaukset kaikilta antureilta ovat yleisesti uskottavia. Meluisuusmittarissa oli valmiina näyttö, joka kertoi mittaustuloksia. Vertailemalla meluisuusmittarin tietokantaan lähettämiä mittauksia sen näytössä näkyviin tuloksiin voitiin todeta, että meluisuusmittaukset olivat varsin yhdenmukaisia. Hiilidioksidianturia testattiin puhaltamalla anturiin, jolloin nähtiin muutoksia mittausdatassa. Projektiryhmän käytössä ei kuitenkaan ollut toista mittalaitetta hiilidioksidimittaukselle, joten varsinaista ristivertailua ei voitu suorittaa. Hiilidioksidianturin antamat mittaukset olivat kuitenkin mielekkäitä, kun niitä verrattiin sisäilmastoyhdistyksen taulukoihin (Sisäilmayhdistys ry, 2008), joissa esitettiin tyypillisiä huoneilman hiilidioksidipitoisuuksia. Järjestelmää testattiin useilla niin sanotuilla black box testeillä kehityksen eri vaiheissa jättämällä järjestelmä toimimaan useammaksi vuorokaudeksi rajatuilla toiminnoilla. Tarkemmat testiraportit testeistä on esitetty tekstimuotoisena projektin BSCW-sivulla Tietokanta Tietokantaa testattiin ajamalla sinne mittausdataa antureilta järjestelmän kehityksen eri vaiheissa. Testiraportteja järjestelmätesteistä tietokannan kanssa on esitetty projektin BSCW-sivulla. Tietokanta toimi pääasiallisesti odotetusti, mutta testien aikana kohdattiin lieviä ongelmia tietokannan samanaikaisessa käytössä. SQLite lukitsee tietokannan kirjoittamisen ja lukemisen aikana muilta käyttäjiltä, jolloin suuret tietokannat ja hidas palvelinalusta saattavat aiheuttaa lukkotilanteita. Tällöin tietokannan käyttö estetään hetkellisesti joko käyttöliittymältä tai tietokannalta riippuen siitä kumpi tietokantayhteyden on varannut. Ongelmat ilmenevät lähinnä käytettäessä tietokantaa käyttöliittymän kautta mittausten ollessa kesken ja ongelman vaikutus voitaisiin minimoida vaihtamalla ThereGate nopeampaan palvelimeen. Ongelma voi aiheuttaa virheilmoituksia käyttöliittymässä tai yksittäisten mittausten puuttumista tietokannasta Käyttöliittymä Käyttöliittymän yksittäiset toiminnot yksikkötestattiin ja eri sivujen toimintaa on koeteltu kehittämisen yhteydessä erilaisten käyttötapausten muodossa. Käyttöliittymän testaamista varten rakennettiin yksinkertainen Ilmari-simulaattori, jolla voitiin syöttää tietokantaan satunnaisia mittauksia. Lisäksi käyttöliittymää testattiin koko järjestelmän laajuisessa käyttötapaustestissä, josta on kerrottu tarkemmin luvussa Järjestelmätesti Järjestelmän lopputesti toteutettiin toukokuuta TUAS-talon AS-puolen toisen kerroksen kahvihuoneessa. Testin tavoitteena oli tutkia mm. Ilmarin ja tietokannan toimivuutta pitkällä käyttöjaksolla, mittausantureiden ja mikrokontrollereiden luotettavuutta sekä ZigBee-verkon kantamaa. Testin tarkoituksena oli toimia laitteiston käyttötapauksena, jossa laitteisto saatetaan toimintaan käyttäjän näkökulmasta seuraamalla laadittuja käyttöohjeita. Kahvihuoneessa yksi satelliittianturi sijoitettiin lattiatasoon huoneen nurkkaan. Toinen satelliittianturi sijoitettiin huoneessa olleen kaapin päälle yli kahden metrin korkeuteen. Keskusyksikkö sijoitettiin huoneen 17

19 toisessa nurkassa olleeseen hyllyyn noin 1.4 metrin korkeuteen. Antureiden sijoittelun tarkoituksena oli saada mittaustietoa huoneen eri osista ja eri korkeuksilta. Kahvihuonetesti onnistui erinomaisesti; järjestelmä pysyi päällä ja eikä mitään hälyttävää huomattu laitteiston toiminnassa. ZigBee-yhteydet saatiin hyvin toimimaan eikä mikään mittalaitteista pudonnut pois verkosta. Liitteessä D on esitetty kuva 8, josta nähdään mittauskäyrät eri antureille. Erityisen huomattavaa on kosteusmittauksessa tapahtuva muutos n. klo 6.00 sekä lämpötilassa tapahtunut muutos n. klo Muutokset johtunevat ilmastointijärjestelmän toimintasyklistä. Hiilidioksidi- ja meluisuusmittauksista havaitaan huoneen käyttöasteen lisääntyminen erityisesti n. klo välillä. 18

20 12 Konseptin kehittäminen Järjestelmä sopii tällä hetkellä esimerkiksi harjoitustyöksi jollekin automaatio- ja systeemitekniikan laitoksen kurssille, jossa tavoitteena on tutustuttaa oppilaat ZigBee- ja mittausanturitekniikkaan, mittausdatan keräämiseen liittyviin toiminnallisuuksiin sekä tietokantoihin. Laitteisto voidaan siirtää esimerkiksi johonkin tiettyyn huoneeseen, jossa se kytketään päälle ja sillä suoritetaan mittauksia tietyn ajanjakson yli. Käyttöliittymän kautta mittauksen kulkua voidaan tarkkailla sekä reaaliaikaisesti että jälkikäteen. Koska järjestelmä tallentaa mittaukset tietokantaan, datan analyysi on myös mahdollista. Tässä muodossa järjestelmä ei sinänsä pysty antamaan suoraan vastausta siihen, mihin ilmastoluokitukseen esimerkiksi tutkittava huone kuuluu. Tämä johtuu siitä, että kaikkia sisäilmaston luokittamiseen tarvittavia mittauksia järjestelmä ei pysty nykymuodossaan tekemään (esim. valoisuusmittaus, vetoisuusmittaus). Järjestelmää voitaisiin kuitenkin hyvin käyttää osana esimerkiksi suurempaa järjestelmäkonseptia, jossa sisäilmastoluokitukseen tarvittavat mittaukset tehdään muilla osajärjestelmillä. Erityisesti se, että kehittämämme järjestelmä tallentaa mittausdatan tietokantaan, antaa hyvät lähtökohdat sille, että järjestelmän tuottamat mittaukset voidaan liittää osaksi suurempaa järjestelmäarkkitehtuuria, jonka päätavoite on sisäilmaston luokitus. 19

21 13 Ehdotuksia järjestelmän jatkokehittämiseksi Keskusmittausyksikössä käytetään tällä hetkellä kahta mikrokontrolleria. Keskusmittausyksikkö on kuitenkin varsin pieni, eikä siellä ole kunnolla tilaa kahdelle mikrokontrollerille. Tällä hetkellä tilanne on se, että yksi mikrokontrolleri pystyy käsittelemään vain kolmea mittalaitetta. Mikrokontrollerien ohjelmistoa kannattaisikin kehittää sellaiseksi, että yksi mikrokontrolleri pystyisi operoimaan kaikkia keskusmittausyksikön antureita. Ongelma on havaittu jo syksyn projektissa, eikä sen korjaamista otettu mukaan tämän projektin tavoitteisiin. Tällä hetkellä mikrokontrollereiden tehonsyöttöön käytetään paristoja niin keskusmittausasemassa kuin satelliiteissakin. Satelliiteissa paristojen käyttö on perusteltua, mutta olisi hyvä, jos keskusmittausasemassa teho voitaisiin ottaa sinne jo valmiiksi tulevasta verkkovirrasta. Projektin yhteydessä huomattiin, että valoisuusanturin mikrokontrollerikoodi on kadonnut. Samoin aiempien ryhmien keskusyksikköön asentama pölyisyysmittari toimi epäluotettavaksi. Tulevissa projekteissa valoisuusanturiin voitaisiin kirjoittaa uusi koodi. Pölyisyysmittari voitaisiin asentaa järjestelmään uudestaan ja varmistaa sen toimivuus huolellisissa testeissä. Myös uusien mittalaitteiden asentamista voitaisiin harkita, jotta huoneiden sisäilmaston mittaus saataisiin kokonaisvaltaisemmin tehtyä asianomaiselle järjestelmällä. Esimerkiksi radonmittaus ja vetoisuusmittaus voisivat olla harkinnan alaisia lisämittauksia. Myös mittauslaitteiden ja ZigBeen korvaamista kokonaan kaupallisilla tuotteilla kannattaisi harkita. Projektissa käytössä oleva ThereGate-palvelin on varsin hidas; suurien mittausmäärien hakeminen sieltä on aikaa vievää, mikä aiheuttaa ongelmia erityisesti käyttöliittymälle. SQLite3 lukitsee tietokannan muilta käyttäjiltä lukemisen ja kirjoittamisen yhteydessä, jonka vuoksi yhtäaikainen käyttö voi aiheuttaa yksittäisten mittausten häviämistä tai virheilmoituksia käyttöliittymässä. Ongelma ilmenee erityisesti suurien tietokantojen kanssa käytettäessä käyttöliittymää kesken mittauksen ja johtuu lähinnä ThereGaten hitaudesta. Uudempi PHP-versio tarjoaisi toiminnallisuutta tietokannan jonotusajan pidentämiseen, jolloin käyttöliittymä voitaisiin asettaa helpommin odottamaan tietokannan avautumista ja näin vähentää virhetilanteita. Jatkossa voitaisiin kuitenkin miettiä myös uusien, nopeampien palvelinratkaisujen käyttöä, sillä esimerkiksi käyttöliittymän kehitysalustana toimineella kannettavalla yli mittausta sisältävät tietokannatkaan eivät vielä ole ongelma, kun taas ThereGatella jo yli mittausta on paljon. Lisäksi mikäli tulevissa projekteissa aiotaan edelleen käyttää Ilmaria, tulisi se dokumentoida tarkemmin, jotta laajennusmahdollisuudet olisi helpompi toteuttaa. 20

22 14 Yhteenveto Tämän projektin puitteissa on kehitetty järjestelmää, jota voidaan käyttää apuna sisäilmaston laadun määrittämisessä. Projekti perustui edellisten projektikurssien ryhmien toteuttamiin töihin ja projektin päämääränä oli saattaa aiempien ryhmien kehittämä laitteisto takaisin käyttökuntoon ja parantaa sen käytettävyyttä. Suunnitelman mukaan käytettävyyttä oli tarkoitus parantaa kehittämällä mittausten tallettamista sekä helpottamalla kerätyn mittausdatan käsittelyä. Samalla projektin tavoitteena oli järjestelmän tuotekonseptin jatkokehittely. Projektin tavoitteet saavutettiin erinomaisesti. Järjestelmä saatiin käyttökuntoon ja sen suorittamat mittaukset todettiin uskottaviksi. Järjestelmään lisättiin SQLite3-tietokanta, joka helpottaa selvästi mittaustietojen käsittelyä, vähentää virheiden vaaraa ja lisää järjestelmän skaalautuvuutta. Alkuperäisessä järjestelmässä mittaukset kirjoitettiin erillisiin tekstitiedostoihin, mihin nähden toteutettu tietokanta on merkittävä kehitysaskel. Järjestelmän web-käyttöliittymä kirjoitettiin alusta asti uudestaan ja se tarjoaa nyt enemmän toimintoja mittaustietojen käsittelyä varten. Mittauksia on mahdollista seurata reaaliaikaisesti kesken mittauksen ja lisäksi mittaustietokannan sisältö voidaan helposti tallentaa tavallisen taulukkoohjelman ymmärtämässä muodossa jatkokäsittelyä varten. Tietokannan ja käyttöliittymän toteuttamisen lisäksi merkittävä askel oli siirtyminen tavallisesta PC-palvelimesta helpommin siirreltävään ThereGatekotipalvelimeen sekä siihen toteutettu ilmastonmittausohjelman automaattinen ylösajo, minkä ansiosta mittausten aloittaminen ei vaadi teknistä ymmärrystä järjestelmän toiminnasta. Mittaukset kohdesijainnissa voidaan aloittaa yksinkertaisesti siirtämällä laitteet haluttuun paikkaan ja kytkemällä ne virtoihin. Kurssin tavoitteena oli kurssikuvauksen mukaan toteuttaa automaatioalaan liittyvä pienimuotoinen sovellus ja tutustua tätä kautta projektimuotoiseen työskentelyyn, ryhmätyöhön ja raportointiin. Projektiryhmän mielestä projektin omat tavoitteet sekä kurssin oppimistavoitteet saavutettiin erinomaisesti. Ryhmän jäsenet oppivat ajanhallinnan, dokumentoinnin ja yleisen ongelmanratkaisun osalta suunnittelun sekä oman aktiivisuuden tärkeyden, jota ryhmä pyrki painottamaan työssään projektin alusta asti. Onnistunut lopputulos osoitti, että erityisesti aktiivinen toiminta ongelmien ratkaisemiseksi tuottaa tulosta. Kohdattujen ongelmien ratkaisemisessa myös projektin ohjaajalla Panu Harmolla sekä tukena toimivalla Anders Rexillä oli suuri merkitys. Erityisesti ThereGateen liittyvissä ongelmissa Andersin tarjoama tuki oli ryhmän mielestä korvaamatonta. Jos projektista on etsittävä kehittämiskohtia, niin paremmalla versionhallinnalla ohjelmistoon sekä dokumentointiin liittyen olisi voinut vähentää ylimääräistä työtä. Kaiken kaikkiaan projekti onnistui projektiryhmän mielestä erinomaisesti. 21

23 Lähdeluettelo Free Software Foundation, Inc The GNU General Public License v3.0. [Online] [Viitattu: ] jquery team. jquery UI. [Online] [Viitattu: ] Karjalainen, Antti WIRELESS SENSOR NETWORK PLATFORM FOR ASSISTIVE AUTOMATION APPLICATIONS. Espoo : Helsinki University of Technology, Laursen, Ole. flot - Attractive JavaScript plotting for jquery. [Online] IOLA.[Viitattu: ] Massachusetts Institute of Technology. Open Source Initiative OSI - The MIT License. [Online] [Viitattu: ] Resig, John. jquery: The Write Less, Do More, JavaScript Library. [Online] jquery team.[viitattu: ] Sisäilmayhdistys ry Sisäilmastoluokitus Sisäympäristön tavoitearvot, suunnitteluohjeet ja tuotevaatimukset

24 Liitteet A. Ohjeet kehittäjälle Projektin yhteydessä käytetty Linux-PC Tunnus: Ilmastoryhmä Autumn 2010 Salasana: ilmastoryhmä Yhteydenotto ThereGateen (SSH) AS-labraverkossa IP: (ThereGaten oltava labraverkossa WAN-portin välityksellä). ThereGaten oletusasetuksilla (ThereGate resetoitu) tai suoralla yhteydellä ThereGaten LAN-porttiin o IP: o Netmask: o Gateway: Tunnus: root Salasana: tg (tg-<sarjanumeron 7 viimeistä merkkiä>, kts. ThereGaten manuaali kohdassa Lisätietoja järjestelmän toiminnasta) Kaikki tämän projektin puitteissa ThereGatelle siirretyt tiedostot ovat kansiossa /mnt/userdata/ilmari/ (ilmari-kansio luotu) lukuun ottamatta Ilmarin käynnistävää skriptiä, joka on kansiossa /etc/opt/there/nsh/hcc/services/ (050-ilmari-20). Ilmari Ilmari ajetaan automaattisesti ja pidetään käynnissä, mikäli ThereGaten kansiossa /etc/opt/there/nsh/hcc/services/ on Ilmarin käynnistävä skripti (050-ilmari-20). Ajaminen ThereGatessa käsin ilman ThereGate-skriptiä: o cd /mnt/userdata/ilmari/ o./ilmari PC:ssä Ilmari käynnistetään ajamalla linux-coordinator-kansiosta löytyvä Ilmaribinääritiedosto. Ilmarin kääntäminen Linux-PC:llä Projektissa käytetty Ilmarin ohjelmistokoodi ja hakemistorakenne on varmuuskopioitu projektin tiedostoihin (kts. kohta Lisätietoja järjestelmän toiminnasta) Ilmarin kääntäminen o ThereGatelle:./build.sh tg-test-coord o PC:lle:./build.sh linux-coordinator HUOM: kääntöohjeet voidaan määrittää CMAKELISTS.txt-tiedostosta. HUOM: sqlite3 on lisätty lib-kansioon ja CMAKELISTS.txt-tiedostossa huomioitu kääntämisessä rivillä 185 set(libs ${LIBS} sqlite3) Mikrokontrollerit Mikrokontrollerien ohjelmistokoodi löytyy samasta kansiosta kuin Ilmarin palvelinkoodikin. Ohjelmiston kääntäminen:./build.sh enddevice -DANTURINNIMI=1 (esim../build.sh enddevice -DHADEV_HUMICAP=1 -DHADEV_NOISE_SENSOR=1). 23

25 SQLite3 HUOM: jos tulee virheitä sqlite3:een liittyen, niin poista väliaikaisesti sqlite3.h ja sqlite3.c lib-kansiosta. Ohjelmiston ajaminen mikrokontrolleriin:./program.sh (mikrokontrollerin on oltava kiinni AVR-kortissa (ISP6PIN-portissa ja mikrokontrollerin ISP-portissa). Mikrokontrolleri sytyttää valot ennen ohjelman lataamista, jos liitin on oikein päin. Ilmari käynnistetään ajamalla build-kansion kohdekansiosta (esimerkiksi linux-coordinator) löytyvä binääritiedosto Ilmari. ZigBee-vastaanottimen on oltava USB-portissa kiinni. ThereGateen ja Linux-PC:lle on asennettu SQLite3, jonka käyttö tapahtuu komennolla sqlite3 tietokannannimi.db. Kaikkea tietokantojen kannalta oleellista tietoa säilytetään tietokantatiedostoissa, joten niiden siirtäminen järjestelmien välillä on helppoa. Lisää ohjeita SQLite3:n käytöstä osoitteessa Lisätietoja järjestelmän toiminnasta Panu Harmon ylläpitämälle BSCW-palvelimelle on tallennettu kaikki projektin kannalta oleellinen dokumentaatio. Palvelimelle pääsy vaatii tunnuksia, joita voi tarvittaessa kysyä Panu Harmolta. Palvelimeen pääsee käsiksi osoitteesta: Ohessa on muutamia palvelimelta löytyviä poimintoja: ThereGaten käyttö o Projektin BSCW-kansiosta (2011 Sisäilmastonmittausasema kevät) löytyy ThereGatesta meille jaettua dokumentaatio ThereGaten konfiguroinnista (ThereGateSDK_rc_3.2.tar.bz2) ja ohjelmien automaattisesta ajamisesta ThereGatessa SdkUserGuide.htm (Automatic launch and monitoring of applications). o ThereGate on edelleen kehityksen alla, joten tietoa on saatavilla myös laitetta kehittävän There Corporationin kautta. Tarkempia yhteystietoja on saatavilla Panu Harmolta. Ilmari o o o Projektin puitteissa käytetty Ilmarin koodin varmuuskopio löytyy projektin BSCWkansiosta. Antti Karjalainen on rakentanut alkuperäisen Ilmarin sekä siihen liittyvät mikrokontrollerit. Työstä sekä Antin diplomityön (Karjalainen, 2009) materiaalista löytyy kattavasti tietoa järjestelmän teknisestä, lähinnä rautapuolen toteutuksesta. Projektin yhteydessä Ilmarin koodin pohjalta käännettiin doxygen-dokumentaatio, joka on mukana tämän projektin BSCW-kansiossa. Dokumentaation kattavuudessa olisi toivomisen varaa, sillä Ilmaria on kehitetty Antin jälkeen paloittain eri henkilöiden toimesta, eikä muutosten kommentointia ole ilmeisesti priorisoitu kovin korkealle. Dokumentaatiosta on kuitenkin hyötyä erityisesti yleiskuvaa muodostaessa. Ilmaston mittaus o Vuoden 2010 kevään projektista löytyy kiitettävästi tietoa projektista, ohjelmistomuutoksista Ilmariin sekä lisätyistä antureista. Tämän projektin kannalta kiinnostavimpia ovat Vaisalan HUMICAP sekä hiilidioksidianturi GMM220, mutta 24

26 o sivulta löytyvät myös mm. projektissa käytetyn AVR-kortin ja keskusmittausaseman virtalähteiden sekä valoisuusanturin dokumentaatio. Syksyn projektin dokumentaatio on huomattavasti vaatimattomampi, mutta se tarjoaa tietoa meluisuusanturista sekä projektissa käyttämättömästä pölyisyysanturista. 25

27 B. Ohjeet käyttäjälle Seuraavat ohjeet on tarkoitettu järjestelmän käyttämiseksi mittaustarkoituksiin. Liitteessä C on esitetty yleisimmät järjestelmän käyttöön ja kehittämiseen liittyvät ongelmatilanteet sekä niiden mahdolliset syyt ja ratkaisut. Tutustu liitteeseen, mikäli jokin seuraavista vaiheista ei jostain syystä onnistu. Tarkista, että USB-liitännällä varustettu ZigBee-vastaanotin on kiinni ThereGatessa ja että anturit sekä mikrokontrollerit ovat virtalähteineen kunnossa. Kytke virrat ThereGateen. Mittaustietoja keräävä Ilmari ja web-käyttöliittymä käynnistyvät automaattisesti ThereGaten käynnistyessä. Varmista, että ThereGate on verkossa. Ota yhteys selaimella AS-labraverkossa olevalta koneelta web-käyttöliittymään osoitteessa ( , jos verkkokaapeli suoraan ThereGaten LAN-portissa). Luo uusi mittaustietokanta painamalla Hallinta-sivulla Uusi tietokanta. Käyttöliittymä ottaa edellisestä mittaustietokannasta varmuuskopion ja luo sen pohjalta uuden tyhjän tietokannan. Ilmari tallettaa kaikki mittaukset current.db-nimiseen tietokantaan. Sijoita anturit haluamaasi kohteeseen siten, että ThereGateen kiinnitetty USB-vastaanotin ja antureiden ZigBee-lähettimet ovat ZigBeen kantaman sisällä toisistaan (vapaan ilman kantama n. 25 metriä). Kytke virrat antureihin ja mikrokontrollereihin. Mikrokontrollerien LED-valot palavat kirkkaasti ja sammuvat parin sekunnin kuluttua virtojen kytkemisestä. Varmista, että LEDvalot eivät vilku. Odota noin 3 minuuttia ja tarkista käyttöliittymän Data-sivulta, että kaikilta laitteilta on rekisteröity mittauksia. Laitteiden tulisi lähettää mittaustietoja minuutin välein. Mikäli jokin laitteista puuttuu, yritä päätellä antureista, mikä laitteista ei ole yhteydessä ja kytke se pois virroista ja takaisin. Ilmari nimeää oletuksena laitteet niiden rekisteröitymisjärjestyksessä juoksevalla numerolla (esimerkiksi Laite 1 ). Sisäilmastonmittausjärjestelmä on nyt käynnissä. Voit tehdä haluamiasi asetusmuutoksia käyttöliittymän Hallinta-sivulla, jossa voit esimerkiksi nimetä laitteet uudestaan todellisia mittausyksiköitä vastaaviksi (esimerkiksi satelliitti tai keskusmittausasema). Kuvaajatsivulla voit seurata mittausten keräämistä reaaliajassa ja Yhteenveto-sivulla voit tutkia tietokannan kokonaiskuvaa. Jätä järjestelmä toimimaan itsenäisesti määrittelemäksesi ajaksi. Voit tarkastella järjestelmän tilaa koska tahansa mittausten aikana ottamalla selainyhteyden web-käyttöliittymään. HUOM: SQLite3 lukitsee tietokannan lukemisen ja kirjoittamisen ajaksi, joten erityisesti suurilla tietokannoilla ja hitailla palvelimilla (kuten ThereGate) käyttöliittymän raskas käyttö voi estää yksittäisten mittausten tallentumisen tietokantaan! Kun haluamasi mittausaika on päättynyt, voit tulostaa kaiken tietokantaan kerätyn aineiston Hallinta-sivulta CSV-muodossa (Comma Separated Values). CSV-muotoisen tiedoston voit avata tavallisimmilla taulukko-ohjelmilla, kuten Microsoft Office Excelillä tai Open Office Calcilla. Mikäli haluat rajata raportin näyttämät mittaukset tietyn aikavälin sisälle, voit tehdä sen Hallinta-sivun ohjaimilla. Lopeta mittaus kytkemällä virrat laitteista. 26

28 C. Yleisimpiä ongelmatilanteita Mikrokontrollerin valot vilkkuvat tai palavat himmeästi: Varmista, että paristossa on virtaa ja tarvittaessa vaihda paristo. Kokeile kytkeä virtoja pois ja takaisin. Mikäli ongelma ei korjaannu, vaihda pariston alusta. Osa laitteista ei käyttöliittymän mukaan anna mittauksia: Yritä päätellä puuttuvaa laitetta mittauksista (keskusmittausasemassa on erilliset mikrokontrollerit hiilidioksidille sekä melulle ja satelliitit sisältävät vain lämpötila- ja kosteusanturit). Kytke toimimaton laite virroista ja takaisin. Varmista, että mikrokontrollerin LED-valot palavat kirkkaasti hetken ja sammuvat sitten. Voit myös yrittää resetoida mikrokontrollerin painamalla mikrokontrollerin RESET-painiketta pohjassa joitakin sekunteja (mikrokontrolleri sytyttää LED-valot, kun painike vapautetaan). Mikäli olet käynnistänyt Ilmarin manuaalisesti terminaalin kautta voit lisäksi yrittää käynnistää kommunikointia uudestaan Ilmarin päästä antamalla Ilmarille terminaalissa komennon l (pieni L-kirjain) ja painamalla ENTER. Vaihtoehtoisesti voit myös yrittää käynnistää Ilmarin uudestaan. Ohjelman lataaminen mikrokontrolleriin ei onnistu ohjelmalla program.sh ja tietokone antaa virheilmoituksen Permission denied : Kokeile käynnistää program.sh sudo-komennolla. Ongelmasi liittyy todennäköisesti USB-laitteiden käyttöoikeuksiin. Ilmari ei löydä ZigBee-vastaanotinta, vaikka USB-johto on varmasti kiinni PC:ssä: Yritä käynnistää Ilmari sudo-komennolla. Mikäli Ilmari käynnistyy nyt normaalisti, syy on luultavasti laitteiden käyttöoikeuksissa. Käyttöliittymä antaa virheilmoituksia: Yleisimmät käyttöliittymän ongelmat johtuvat puutteellisista käyttöoikeuksista tai puuttuvista tai korruptoituneista tietokanta-tiedostoista. Jos käyttöliittymä vaikuttaa toimivan hitaasti, ongelman syy voi myös olla hitaassa palvelimessa tai selaimessa, jolloin varsinkin suuret tietokannat muodostuvat ongelmaksi. Ongelmia aiheuttaa myös tietokannan yhtäaikainen käyttö, joten uuden tietokannan luominen saattaa epäonnistua, mikäli Ilmari on käynnissä ja yrittää samanaikaisesti kirjoittaa tietokantaan. Tällöin kannattaa yrittää uudelleen tai olla kytkeä mittalaitteet virroista, jolloin Ilmari ei kirjoita tietokantaan. Ongelma koskee lähinnä hitaita palvelinkoneita, kuten ThereGatea. Ilmari kaatuu Segmentation Fault -virheeseen: Käynnistä Ilmari uudestaan. Järjestelmän on todettu ajoittain kaatuvan kyseiseen virheeseen, mutta sen tarkempaan selvittämiseen ei ollut aikaa (valgrind saattaisi auttaa vian paikallistamisessa). Virhe ilmestyi satunnaisesti ja järjestelmää ajettiin onnistuneesti yli viikko ilman ongelmia, joten asian tutkimiseen ei käytetty energiaa sen enempää. 27

29 Mikrokontrollerit lähettävät omituisia arvoja (esimerkiksi lämpötila saturoituu yli 600 asteeseen): Tarkista antureiden ja mikrokontrollerin välinen liitin sekä virtalähteet. Selain/SSH ei saa yhteyttä web-käyttöliittymään/theregateen: Varmista, että ThereGate on kytkettynä verkkoon ja oikein konfiguroitu. Liitteessä B listattu IP-osoite olettaa, että ThereGate on AS:n kakkoskerroksen labraverkossa, eikä ThereGaten asetuksia ole muutettu. Tarvittaessa ThereGaten oletusasetukset voi palauttaa painamalla ThereGaten RESET-painiketta, kunnes ThereGate sytyttää valot oletusasetusten palauttamisen merkiksi. Tämän jälkeen yhteydenotto ThereGateen onnistuu lähiverkkoyhteydellä liitteessä A esitettyjen ohjeiden mukaisesti. 28

30 D. Kuvia järjestelmästä Kuva 1: Kuvassa on ThereGate-kotipalvelin, johon on kytketty USB-liitännällä ZigBee-vastaanotin. Lisäksi laitteeseen on kytketty laitteen virtajohto sekä verkkokaapeli. Kuva 2: Kuvassa on keskusmittausasema ilman kotelon kantta. Vasemmassa alakulmassa oleva harmaa mittaussondi on hiilidioksidin mittaukseen ja sen oikealla puolella on Vaisalan HUMICAP lämpötilan sekä kosteuden mittaamiseen. Keskellä alhaalla on valoisuusmittari ja laitteen sisällä keskellä oleva pieni rasia on pölyanturi. Valoisuus- ja pölymittausta ei projektin aikana kuitenkaan käytetty. 29

31 Kuva 3: Kuvassa on Zigbee-vastaanotin, joka kiinnitetään USB-liitännällä mittauksia käsittelevään palvelimeen eli tämän projektin tapauksessa ThereGateen. Kuva 4: Kuvassa on esitetty toinen projektin satelliittiantureista ilman kotelon kantta. Oikealla ylhäällä on Vaisalan HUMICAPanturi lämpötilan ja kosteuden mittaamiseen. Kotelon sisällä on mikrokontrolleri (alempi piiri), johon on kiinnitetty ZigBeelähetin (ylempi piiri) ja paristo. 30

32 Kuva 5: Meluisuusmittari, joka on kiinnitettynä kuvassa 2 esitetyn keskusmittausaseman kotelon kanteen. 31

33 Kuva 6: Kuvassa on käyttöliittymän Hallinta-sivu, jonka kautta voidaan vaihtaa tarkasteltavaa tietokantaa, muuttaa tietokannan asetuksia, aloittaa uusi mittaustietokanta sekä ladata CSV-muotoinen mittausraportti. Kuva 7: Kuvassa on esitetty käyttöliittymän Yhteenveto-sivu, jolla annetaan yhteenveto mittaustietokannasta kokonaisuutena sekä laitekohtaisesti. Avattuna on projektin lopputestin mittaustietokanta. 32

34 Kuva 8: Kuvassa on esitetty käyttöliittymän Kuvaajat-sivu, joka piirtää kuvaajat avatun mittaustietokannan mittauksista. Tietokannan mittauksia näytetään 24 tunnin ajalta viimeisestä mittauksesta. Kuvassa on avattuna projektin lopputestin mittaustietokanta Suunniteltu Toteutunut Kuva 9: Projektin suunniteltu ajankäyttö ja toteutuma laskettuna kumulatiivisista työtunneista henkilöä kohden. 33