Sisäilmatiimi LOPPURAPORTTI Sisäilmaston laadun mittaus ZigBee yhteyden avulla

Aalto yliopiston teknillinen korkeakoulu Automaatio ja systeemitekniikan laitos AS 0.3200 Automaatio ja systeemitekniikan projektityöt Loppuraportti Kevät 2010 Sisäilmatiimi LOPPURAPORTTI Sisäilmaston laadun mittaus ZigBee yhteyden avulla Niko Koski Lauri Töllikkö Tero Leskinen Panu Auvinen

Sisällysluettelo 1. TAUSTA JA HYÖDYT... 1 2. PÄÄMÄÄRÄ JA TAVOITTEET... 1 3. RISKIENHALLINTA... 1 4. TYÖMÄÄRÄ JA TYÖNJAKO... 2 5. TOTEUTETUT HANKINNAT JA HANKINTAPERUSTEET... 2 6. JÄRJESTELMÄN RAKENNE... 4 7. OHJELMISTO... 5 7.1. Mittaustiedon lukeminen ja välitys anturilta... 6 7.2. Keskusmikrokontrolleri... 7 7.3. Tiedon esitys... 8 8. TESTAUS... 9 8.1. Herätetestaus... 9 8.2. Yleinen testaus... 12 9. KEHITYSEHDOTUKSIA... 12 9.1. Tiedon käsittely... 12 9.2. Käyttöliittymä... 12 9.3. Skaalaus... 12 9.4. Fyysinen rakenne... 13 Liitteet: a. Laitteiston layout kuvat b. Piirikaaviot c. Johdotuskaaviot d. Käyttöohjeet e. Projektin ajankäyttö f. Projektin riskit g. Laitteiston rakennevaihtoehdot

1. TAUSTA JA HYÖDYT Kurssin projektityönä rakennettu langatonta ZigBee verkkoa käyttävän sisäilmastonmittausjärjestelmän rakentaminen oli alunperin tarkoitus tehdä yhteistyössä DIEM Building Automation projektin kanssa. DIEM BA osallistuu Solar Decathlon nimiseen energiapihin koetalon toteutuskilpailuun (http://www.sdeurope.org/) osana Aalto yliopiston joukkuetta. Projektin edetessä päädyttiin kuitenkin ratkaisuun, jossa projektiryhmä toteuttaa laitteen itsenäisesti ilman, että sitä sijoitetaan koetaloon. Sisäilmastonlaatu on subjektiivinen käsite, jonka mittaaminen ei ole yksiselitteistä. Sisäilmayhdistyksen julkaisema Sisäilmastoluokitus antaa kuitenkin joitakin tavoitearvoja. Tarkoituksena on rakentaa sisäilmaston mittaukseen ja esitykseen kykenevä laitteisto, jonka tulisi olla helposti liikuteltava ja laajennettava. Tällöin laitteistolla voisi helposti käydä mittaamassa eri huoneiden sisäilmastonlaatua, minkä lisäksi siihen voisi myös liittää muita toimintoja kuten säätöominaisuuksia. Sisäilmastonlaatukriteereitä ovat mm. lämpötila, taustamelu, valoisuus ja hiilidioksidipitoisuus. 2. PÄÄMÄÄRÄ JA TAVOITTEET Päämääränä on saada suunniteltua, toteutettua ja testattua demojärjestelmä, jolla pystytään mittaamaan tärkeimpiä sisäilmanlaatuun vaikuttavia suureita. Järjestelmä koostuu helposti laajennettavasta anturiverkosta, tiedontallennusjärjestelmästä ja valvomosovelluksesta, josta voidaan lukea arvoja. Osa antureista on tarkoitus liittää järjestelmään paristokäyttöisinä langattomina antureina. Tähän käytämme ZigBee verkkoa. Enemmän sähköä kuluttavat anturit tulisivat kytketyksi mahdollisesti jollakin kenttäväylällä. Projektin osana asennamme sisäilmaston mittauskeskuksen Solar Decathlontaloon. Mahdollisuuksien mukaan kehitämme järjestelmän ominaisuuksia pidemmälle. Projektin tavoitteet saimme pääosin toteutettua. Projektin lopputuloksena on sisäilmastonmittausasema, joka mittaa lämpötilaa ja kosteutta kolmesta eri kohteesta sekä CO2 pitoisuutta ja valaistusvoimakkuutta yhdestä kohteesta. Mittalaitteiden osalta järjestelmä on helposti laajennettavissa. Järjestelmä tallenttaa mittausten historiatietoa helposti jälleenkäsiteltävään muotoon. Irrallisena osana järjestelmään kuuluu myös HTML käyttöliittymä, josta mittausten viimeisimpiä arvoja sekä historiatietoa voidaan lukea. 3. RISKIENHALLINTA Ennen projektin toteuttamista arvoimme työn aikana mahdollisesti esiintyviä riskejä. Tällöin oletimme, että todennäköisin toteutusta vaikeuttava riski on projektiryhmän jäsenien vähäinen ennakkotuntemus toteutuksessa tarvittavista menetelmistä ja tekniikoista (lähinnä mikrokontrollien ohjelmointi ja langaton ZigBee verkko). Tämän riskin vaikutukset oletettiin kuitenkin pieniksi, sillä projektin muilta osapuolilta on tarvittaessa löydettävissä parempaa osaamista. Merkittävin projektin toteutumista uhkaava riski oli arviomme mukaan 1

resursseihin ja vaadittavan toiminnallisuuden toteuttamiseen sopivien mittausantureiden löytäminen. Alkuperäinen riskiarviomme onnistui varsin hyvin. Onnistuimme tunnistamaan suurimman osan projektin mahdollisista ongelmista etukäteen. Joitakin eteen tulleita mahdollisia ongelmakohtia lisäsimme taulukkoon myös projektin aikana. Riskien toteutumat on merkitty liitteenä olevaan taulukkoon. Pahimmat ongelmat aiheuttivat laitteiden pitkät toimitusajat, jotka aiheuttivat työmäärän kasautumisen projektin viimeisille viikoille. Tämän vuoksi laitteiston hienosäätöön jäi vain vähän aikaa. 4. TYÖMÄÄRÄ JA TYÖNJAKO Projektin alkaessa työmäärä mitoitettiin vastaamaan neljää opintopistettä neljälle henkilölle, joka vastaa 432 työtuntia. Projektisuunnitelmaa tehdessämme arvioimme aikaa kuluvan hieman yläkanttiin 505 työtuntia. Projektiryhmä käytti projektiin yhteensä noin 450 työtuntia. Vähentynyt tuntimäärä johtui suurimmaksi osaksi projektin keskivaiheilla ilmenneisiin laitteiden saatavuusongelmiin ja käytetty aika lisääntyi voimakkaasti viimeisillä viikoilla. Tarkempi ajan käyttö eri tehtäviin selviää liitteenä olevasta päiväkirjasta. 5. TOTEUTETUT HANKINNAT JA HANKINTAPERUSTEET Löysimme Vaisalan valikoimasta monia varteenotettavia vaihtoehtoja anturivalikoimaamme ja keskustelimme asiasta projektin ohjaajan Panu Harmon kanssa. Hän kertoikin sitten, että voisi olla mahdollista, että Vaisala voisi mahdollisesti sponsoroida joitain antureita. Tämän jälkeen listasimme mahdollisia vaihtoehtoja, joita mahdollisesti voisimme Vaisalalta pyytää. Alla on listattuna hankitut anturit sekä myös muut työn toteutuksessa käytetyt komponentit. Erikseen tilattujen komponenttien lisäksi työssä käytettiin ASosastolla tarjolla olleita tarvikkeita, kuten liittimiä ja johtoja. 3 x Vaisala HMP50 lämpötila ja kosteusanturi 1 x GMM222 mittausmuunnin ja 1 x GMP222 anturi hiilidioksidille 1 x Servodan 43 197 valaistusvoimakkuusanturi Kotelot Ensto, Farnell teholähteet, Phoenix Contact riiviliittimet, Phoenix Contact Valitsimme kyseisen lämpötila ja kosteusanturin Vaisalalta, koska se oli kokonsa puolesta käyttötarkoituksiimme sopiva ja siitä oli helppo välittää mittaustulokset mikrokontrollerille jänniteviesteinä. Hiilidioksidin mittaukseen yritimme saada ensin Vaisalalta kompaktimpaa anturia, joka olisi muistuttanut 2

kokonaisuudeltaan valitsemaamme lämpötila ja kosteusanturia. Siinä ei siis olisi ollut erillistä mittausmuunninta, vaan se olisi ollut sisäänrakennettu. Lisäksi haluamamme anturi olisi soveltunut virrankulutukseltaan etäyksikköön. Tämä oli kuitenkin niin paljon arvokkaampi, ettemme saaneet kyseistä komponenttia, joten tyydyimme yllä listattuun. Saamamme hiilidioksidimittauslaite oli sijoitettava keskusyksikköön, koska sen virran kulutus olisi ollut liian suuri langattomaan versioon. Servodan 43 197 oli projektin ohjaajan ehdotus valaistusvoimakkuuden mittaamiseen. Tarvitsimme keskusyksikölle kotelon, jonka saimme hankittua Enstolta. Kotelon saimme lahjoituksena. Ehdotimme ensin koteloa, joka olisi ollut kooltaan 255x250x185, mutta sellaista ei ollut, joten Harmo tilasi meille kotelon, joka on kooltaan 300x200x185. Kun sijoitimme laitteistoa koteloon, huomasimme, ettemme tarvinneet aivan niin syvää kuin aluksi ajattelimme, joten jätimme kotelosta välikappaleen pois. Satelliitteja varten tilasimme kaksi pientä koteloa Farnelilta, koska sieltä saimme sopivat ja edulliset kotelot helposti ja nopeasti. Phoenix Contactilta valitsimme tehonlähteet, jotka Panu Harmo sitten tilasi meille. Näitä otimme kaksi, joista toinen oli jännitealueelle 10 15 V ja toinen alueelle 24 V. Merkin tiesimme olevan laadukas ja valitsimiemme anturien perusteella tiesimme, että tulisimme tarvitsemaan kyseisiä jännitteitä. Mikrokontrollereita varten saimme muutettua näistä lähteistä sopivat jännitteet. Riviliittimet ja muut kytkentään ja laitteiden kiinnitykseen liittyvät tarvikkeet keräsimme koululta. Näitä olivat esimerkiksi kaapelikourut, kytkentäjohdot, holkit, läpiviennit ja muut vastaavat. Osa alun perin kaavailemistamme laitteista jäi hankkimatta tai lisäämättä järjestelmään. Alla on listattu laitteita, joita olimme suunnitelleet järjestelmään tai ainakin miettineet mahdollisiksi lisämittauksiksi. Ääni, RION NL 20 digitaalinen barometri, Vaisala PTB110 ilman liikenopeus, Vaisala WINDCAP ultraäänituulianturi WS425 liiketunnistin Äänitason mittausta suunnittelimme laitettavaksi laitteistoomme, emme kuitenkaan löytäneet mitään laitteistoomme sopivaa aikataulun puitteissa. Kysyimme MIP Electronics Oy:ltä laitteistoomme sopivaa laitetta, jossa olisi jänniteulostulo ja saimmekin vastauksen sekä tarjouksen yhdestä laitteesta. Tämän laitteen veroton hinta oli kuitenkin melkein 1600, joten hylkäsimme vaihtoehdon budjetin rajallisuuden takia. Kysyimme Vaisalalta myös digitaalista barometria absoluuttisen paineen mittaukseen, mutta emme saaneet sitä, koska laite oli niin arvokas. Ilman liikenopeuden mittausta varten etsimme laitetta, mutta huoneilman virtaus on yleensä niin pientä, että tähän sopivaa laitetta on vaikea löytää. Yksi vaihtoehto olisi voinut olla Vaisalan ultraäänituulianturi. Yllä mainittu laite olisi voinut riittää tarkkuudeltaan, mutta senkin hinta oli niin korkea, että jätimme sen hankkimatta. Koululla olisi lisäksi ollut valmiita 3

liiketunnistinlaitteita, jotka olisivat olleet samantyyppisiä kuin meidän rakentamamme lämpötila ja kosteusmittaus etäyksiköt(zigbee, mikrokontrolleri ja mittaus), mutta aikataulun myöhästymisen takia emme laitetta laitteistoomme liittäneet. 6. JÄRJESTELMÄN RAKENNE Projektin tavoitteena oli mitata sisäilmastosta erilaisia suureita, tallentaa mittaustietoa ja esittää se. Järjestelmän peruskomponentteja ovat siis mittalaitteet, tiedonsiirtokanavat, tiedontallenukseen ja esitykseen käytettävät ohjelmistot. Tässä luvussa käymme läpi järjestelmän fyysisen toteutuksen liittyneet ratkaisut ja niiden perusteet. Sisäilmastoluokitus antaa ohjeita mm. lämpötilan mittauksien sijaintiin. Tästä aiheutui tarve sijoittaa lämpötilamittauksia erilaisiin sijainteihin. Helpoin tapa toteuttaa liikuteltavia mittauksia on täydellinen langattomuus. Valitsimme tähän tehtävään vähän tehoa kuluttavan anturin ja jänniteviestin lukemiseen ja välittämiseen käytimme Atmel:n AVR mikrokontrollereita, joihin on yhdistetty ZigBee moduuli langatonta tiedonvälitystä varten. Tehonlähteenä käytimme mikrokontrollerille 1,5V paristoa ja anturille 9V paristoa. Tehonlähteiden pitäisi riittää usean päivän yhtäjaksoiseen käyttöön riippuen mittaustarkkuudesta. Jos toiminta aikaa halutaan pidentää, voidaan anturin jännitesyöttöön kytkeä rele joka antaa anturille sähköä vain mittaushetkellä. Toiseen etämittausasemaan asensimme myös mahdollisuuden kytkeä toisen 9V pariston ensimmäisen rinnalle tehonsyötön riittävyyden varmistamiseksi. Osalle mittauksista ei kuitenkaan ole määritelty tarkempaa sijaintia sisäilmastoluokituksessa, joten mielestämme paras ratkaisu oli sijoittaa kyseiset anturit yhteen keskuslaitteeseen. Keskus toimii verkkovirralla, ja siinä on sisäänrakennetut 24V:n ja 12V:n jännitesyötöt antureita varten. Keskukseen on liitetty lämpötila, kosteus, hiilidioksidi ja valaistusvoimakkuusanturit. Keskuksessa on lisäksi antureiden liitännän vaatimaa elektroniikkaa. Seuraava järjestelmän rakenteeseen liittyvä asia on viestien välitys laitteiston yksiköiden välillä. Kun olimme tehneet valinnan täydellisestä langattomuudesta, oli itsestään selvää että myös viestien täytyy siirtyä langattomasti. Langattomaan tiedonsiirtoon käytimme jo ennalta valittua Zigbee teknologiaa. Keskuksessa pohdimme erilaisia väylävaihtoehtoja, mutta suunnitelmat muuttuivat kun päätimmekin sijoittaa tiedontallennuspalvelimen erilleen mittauskeskuksesta. Zigbeen käyttö vähentää kaapelointia, eikä sido laitteita fyysisesti samaan tilaan. Alkuperäisen suunnitelman mukaan tiedontallennusta ja esitystä suorittavaa ohjelmaa oli tarkoitus ajaa ThereGate palvelimella. Palvelimen hankinnassa vaadituissa aikarajoissa oli kuitenkin ongelmia, ja projektin viimeisellä viikolla teimme muutoksen suunnitelmaan ja asensimme ohjelman pienikokoiselle linuxtietokoneelle. Järjestelmän ohjelmointiin käytettiin C kieltä, joten ohjelmisto toimii useilla eri alustoilla. Tämän ansiosta kyseisestä muutoksesta ei aiheutunut merkittäviä ongelmia. Palvelimeen kytketään Zigbee verkon koordinoinnista vastaava keskusmikrokontrolleri (linux coordinator), joka vastaanottaa mittaustiedot eri antureilta. Aluksi suunnittelimme sijoittavamme palvelimen mittauskeskukseen saadaksemme järjestelmän komponentteja vähennettyä. 4

Päädyimme kuitenkin erillisratkaisuun, koska tämä mahdollistaa mittausaseman kytkemisen jo olemassa olevaan kotipalvelimeen esimerkiksi taloautomaatiojärjestelmään. Järjestelmän käyttöönotto vaatii vain ohjelmiston asentaminen olemassa olevaan palvelimeen, mikä lisää yhtenä projektin tavoitteena ollutta helppoa laajennettavuutta ja modulaarisuutta. Lisätietoa projektin aikana pohdituista eri rakennevaihtoehdoista on liitteissä. Kuvassa 1 on nähtävissä projektissa toteutetut mittausjärjestelmän laitteet sekä koteloituna että ilman. Alimpana kuvassa on linux palvelimena toimiva mini PC sekä siihen liitetty keskusmikrokontrolleri. Kuva 1. Sisäilman mittausjärjestelmän laitteisto: mittauskeskus (vas.), toinen etälaitteista (oik.) ja palvelimena käytetty mini PC (alh.) 7. OHJELMISTO Tässä kappaleessa kuvataan tiedon käsittelyä, hallintaa ja esitystapaa anturitiedosta lopulliseen esitysmuotoon. Tiedon käsittely alkaa anturin mittaustiedon lukemisesta anturimikrokontrolleriin (router ja end device), josta se lähetetään ZigBee yhteydellä keskusmikrokontrolleriin (linux coordinator). Sisäilmakeskuksen anturimikrokontrolleri on ohjelmoitu reitittäjäksi (router) ja satelliittien anturimikrokontrollerit loppulaitteeksi (end device). Keskusmikrokontrollerissa mittausdata otetaan talteen ZigBee viestistä, 5

skaalataan ja tallennetaan tekstitiedostoon aikaleiman kanssa. Tiedon esittämistä varten luetaan tekstitiedostosta haluttu määrä viimeisimpiä mittauksia taulukkoon, josta ne edelleen tallennetaan xml tiedostoon. Tieto luetaan html sivuun JavaScriptinin avulla Adobe Flash esitykseksi, joka näkyy HTML sivulla taulukkona. HTML sivu toimii web käyttöliittymänä, jota voidaan lukea verkon yli miltä tahansa koneelta. Tiedon kulkeutumista anturilta käyttöliittymään on havainnollistettu alla (Kuva 2). Kuva 2. Tiedon käsittely anturin mittausdatasta tiedon esitykseen web käyttöliittymään 7.1. MITTAUSTIEDON LUKEMINEN JA VÄLITYS ANTURILTA Mittaustiedot luetaan synkronisesti halutuin välein antureilta. Tässä työssä sovimme lukuväliksi minuutin, jotta saimme historiadatan esitykseen sopivan määrän mittaustietoja (240 mittausta eli neljä tuntia). Anturimikrokontrollereissa on kaikissa sama ohjelmisto mutta eri määrä mittauksia. Tunnistaakseen itsensä ja sitä kautta, mitä antureita siinä on kiinni, anturimikrokontrolleri kutsuu tunnistusfunktiota, joka palauttaa sen ID arvon (id value). Tunnistuksessa käytetään anturimikrokontrollerin yhden portin (PORT D) pinnejä hyväksi siten, että osa pinneistä oikosuljettu. Tässä työssä anturimikrokontrollereita on kolme, ja tunnistus tehdään alla olevan taulukon (Taulukko 1) mukaisesti. 6

Taulukko 1. Anturimikrokontrollerien tunnistus Anturimikrokontrolleri Oikosuljetut pinnit ID arvo 1 (sisäilmakeskus) 1 2 (HUMICAP 1) PD5 & PD6 2 3 (HUMICAP 2) PD7 & PD8 3 Jokaiseen anturimikrokontrolleriin liitetyt anturit on kovakoodattu ohjelmistoon (tässä AVR) alla olevan taulukon mukaisesti (Taulukko 2). Esimerkiksi jos tunnistusfunktio palauttaa arvon 1, tietää AVR kyseessä olevan sisäilmakeskuksen anturimikrokontrollerin neljällä anturilla. Koska anturit on kytketty kiinteästi tiettyyn pinniin, osaa AVR lukea nämä tiedot vuorotellen. Mittaustieto luetaan tietystä pinnistä suoraan analogiadigitaalimuunnosfunktioon. Tämä kymmenen bitin muunnos palauttaa AVR:lle analogisesta mittauksesta (0 2,5 V) digitaalisen arvon heksadesimaalina. Sekä heksadesimaalinen mittausarvo että anturin yksilöllinen ID arvo lähetetään tämän jälkeen ZigBee viestinä keskusmikrokontrollerille (Linux coordinator). Taulukko 2. AVR ohjelmistoon kovakoodatut anturitunnisteet Anturi Pinni (mikrokontrolleri) ID arvo (ohjelmisto) Lämpötila (Keskus) PA0 1 Kosteus (Keskus) PA1 2 Hiilidioksidi PA2 3 Valoisuus PA3 4 Lämpötila (HUMICAP 1) PA0 5 Kosteus (HUMICAP 1 PA1 6 Lämpötila (HUMICAP 2) PA0 7 Kosteus (HUMICAP 2 PA1 8 7.2. KESKUSMIKROKONTROLLERI Keskusmikrokontrolleri on koko ajan valmiustilassa odottaen anturimikrokontrollereiden lähettämiä viestejä. Viestin alkuosa koostuu ZigBeeprotokollan vaatimasta osasta ja loppuosa itse viestistä, jossa ensimmäinen heksadesimaaliluku kertoo anturin ID arvon ja kaksi jälkimmäistä heksadesimaalilukua itse viestin kahdessa osassa. Mittausarvo täytyy jakaa kahteen eri heksadesimaaliarvoon, jotta mittausalue on riittävän suuri halutun tarkkuuden saavuttamiseksi. Viestin saavuttua mittausdata yhdistetään ja muunnetaan desimaaliluvuksi (10 kantainen). Tämän jälkeen arvo täytyy skaalata jännitearvosta insinööriyksiköksi. Skaalaus tapahtuu erillisessä funktiossa, jossa jokaiselle mittaukselle on määritetty oma skaalauksensa. 7

Kuva 3. Keskusmikrokontrollerin tiedonkäsittely Skaalatut arvot annetaan parametrinä tiedon tallennus funktiolle. Jokaisen anturin mittausdatat tallennetaan aikaleiman kanssa omaan tiedostoonsa (Kuva 3). Tiedoston alussa on tieto, montako mittausarvoa se sisältää. Mittausten määrä luetaan ensin tiedostosta ja se päivitetään, minkä jälkeen skaalattu mittausarvo aikaleimoineen tallennetaan tiedostoon. 7.3. TIEDON ESITYS Tiedon esitystä varten jokaisen mittauksen mittausarvot aikaleimoineen luetaan ensin tiedostosta, johon ne on tallennettu raakadatana. Tiedostot luetaan kokonaisuudessaan, mutta niistä tallennetaan AVR ohjelmiston taulukkoon haluttu määrä, joka on tämän projektin tapauksessa 240 viimeisintä mittausta. Tämän jälkeen taulukoidut arvot tallennetaan XML formaattiin jokainen mittaus omaan tiedostoonsa. Tiedot esitetään html käyttöliittymässä, johon mittausarvot luetaan XMLtiedostoista XML/SWF Charts ohjelman ( 1 ) avulla (Kuva 4). Ohjelma on ilmaisessa jakelussa verkossa, ja se on suunniteltu kaavioiden piirtämiseen XMLtiedostojen pohjalta. Mittausarvot ja aikaleimat luetaan Adobe Flash esitykseen JavaScriptin avulla. Mittausten esityksessä jako on tehty mittausten fyysisen jaon mukaan. Sisäilmakeskuksen ja satelliittien lämpötila ja kosteusmittaukset (HUMICAP) ovat omassa kuvaajassaan sekä muut mittaukset omissaan ryhmitellysti. 1 XML/SWF Charts (maani.us) http://www.maani.us/xml_charts/ 8

Kuva 4. Tiedostoon tallennetusta mittausdatasta HTML esitykseen 8. TESTAUS Testasimme järjestelmää sekä erilaisia herätteitä antamalla että jättämällä järjestelmän tuotantotilaan mittaamaan yön yli. Testauksessa ilmeni muutamia ongelmia jatkokehitystä silmällä pitäen. Antureiden mittatietojen skaalaukset eivät ole aivan kohdillaan, sillä satelliittien lämpötilat eivät täysin täsmää sisäilmakeskuksen vastaavaan. Tämä johtuu todennäköisimmin mikrokontrollereiden käyttöjännitteiden pienistä eriäväisyyksistä, jotka vaikuttavat anturilta tulevan jänniteviestin tunnistamiseen. Suhteellinen kosteus näyttäisi myös voivan kohota hieman 100 % yli, mikä ei ole kovin suotavaa. Seuraavassa kappaleessa on esitetty järjestelmän testausta erilaisilla herätteillä. 8.1. HERÄTETESTAUS Testasimme järjestelmän sisäilmakeskuksen ja toisen satelliitin (satelliitti 2 / HUMICAP 3) vasteita herätteillä. Lämpötilaa, kosteutta ja hiilidioksidipitoisuutta tutkittiin puhaltaen uloshengitysilmaa käsien väliin koteloituun anturiin lämpötilan ja kosteuden tapauksessa HUMICAP anturiin ja hiilidioksidia tutkittaessa CARBOCAP anturiin. Aika akseli on tarkoituksella jätetty pois, koska se ei ole relevantti tässä tarkastelussa mittausvälinä on käytetty kahdeksaa sekuntia. 9

120,00 HUMICAP 1 100,00 80,00 60,00 40,00 Temperature 1 Humidity 1 20,00 0,00 Kuva 5. HUMICAP 1 anturin vaste uloshengityksen funktiona 120 HUMICAP 3 100 80 60 40 Temperature 3 Humidity 3 20 0 Kuva 6. HUMICAP 3 anturin vaste uloshengityksen funktiona Anturiin puhaltaessa lämpötila ei nouse juurikaan, mutta kosteuskäyrä lähtee välittömästi jyrkkään nousuun (Kuva 5 ja Kuva 6). Lämpötila nousee hieman hengityksen aikana, mutta palaa nopeasti takaisin huoneen lämpötilaan. Uloshengityksen seurauksena anturin pintaan jää kosteutta, minkä takia kosteus laskee huomattavasti hitaammin. Kuivasimmekin anturin paperilla herätteen jälkeen, jolloin kosteus lähti hitaasti palautumaan takaisin huoneen kosteuden tasolle. Suhteellisen kosteuden arvo käy maksimissaan hieman 100 prosentin yli, mikä johtuu skaalauksen ongelmallisuudesta. 10

3500 CO2 3000 2500 2000 1500 CO2 1000 500 0 Kuva 7. CARBOCAP anturin vaste uloshengityksen funktiona Käytimme samaa metodia hiilidioksidianturin (Kuva 7) testauksessa kuin lämpötilan ja kosteuden tapauksessa. Uloshengityksessä oleva hiilidioksidi kasvatti hiilidioksidipitoisuuden nopeasti maksimiarvoonsa. Tälläkin anturilla maksimiarvo on hieman yli Vaisalan määrittelemän anturin maksimiarvon (3000 ppm). Tämä johtunee samantyyppisestä skaalausvirheestä kuin HUMICAPanturilla. Hiilidioksidipitoisuus palaa huoneen hiilidioksidipitoisuuden tasolle hitaasti suunnilleen samalla nopeudella kuin kosteuskin. 3500 Luminance 3000 2500 2000 1500 Luminance 1000 500 0 1 5 9 1317212529333741454953576165 Kuva 8. Valoisuusanturin heräte muuttuvan valaistusolosuhteen funktiona Testasimme valoisuusanturia muuttamalla keinotekoisesti valaistusolosuhteita. Kuvaajan alussa olevat minimiarvot (30 lux) saatiin peittämällä anturi kädellä. Minimiarvo on anturin määritelty pienin arvo ja vastaa täyttä pimeyttä. Maksimiarvo on 3000 lux, johon ei aivan päästy. Saimme anturilta arvon 2490 lux viemällä anturin aivan kattovalaisimen alle. Tämä nousu käyrässä näkyy heti 11

kahden laskun jälkeen. Valaistusarvo palaa välittömästi normaaliksi, kun anturi siirretään pois lampun alta. 8.2. YLEINEN TESTAUS Testasimme järjestelmää lähinnä huoneessa, jossa rakensimme ja ohjelmoimme järjestelmän. Myös järjestelmän liikuteltavuus tuli testattua demo tilaisuudessa. Kaikki anturit toimivat hyvin, mutta skaalauksessa on edelleen hieman ongelmia. ZigBee verkkoon liittyminen toimii varmasti nyt, kun lisäsimme ohjelmaan verkolle tunnuksen. Ennen tunnusta liittyminen ei ollut varmaa, ja laitteet saattoivat liittyä toisiin lähellä oleviin ZigBee verkkoihin. Tiedon lukeminen, kirjoittaminen ja esittäminen onnistuu pääasiallisesti ilman ongelmia. Kun toimitaan Linux ympäristössä, täytyy muistaa antaa tarvittavat luku ja suoritusoikeudet kansioihin ja tiedostoihin, joita käsitellään. 9. KEHITYSEHDOTUKSIA 9.1. TIEDON KÄSITTELY Tietoa tallennetaan tällä hetkellä mittauskohtaisesti yhteen tiedostoon. Tästä muodostuu ongelma sisäilmaston seuranta ajan kasvaessa, kun tiedostokoot kasvavat todella suuriksi. Ongelmat ilmenevät varsinkin tiedostosta taulukkoon lukiessa. Tiedostoon kirjoitetaan mittausten määrä ensimmäiselle riville ja uusi mittaus aikaleimoineen viimeiselle riville, joten tämä ei välttämättä aiheuta muistin kanssa ongelmia (memory ja buffer overflow). XML tiedostoon siirtyessä joudutaan kuitenkin tällä ratkaisulla lukemaan koko tiedosto, koska halutut viimeiset arvot ovat tiedoston lopussa, josta haluttu määrä tallennetaan taulukkoon xml tiedostoon kirjoittamista varten. Tiedoston luvun kanssa voi tulla ongelmia koon kasvaessa. Mittausarvojen tallentamiseen voisi siis keksiä paremman ratkaisun. Mittausarvot voisi myös tallentaa sellaiseen muotoon, josta niitä olisi helppo jatkokäsitellä esimerkiksi MS Excel tai MATLAB ohjelmilla. Sisäilman laadun esittäminen on toteutettu xml tiedostosta JavaScriptin avulla lukemalla Adobe Flash esitykseen. Ainakin suuremmilla datamäärillä tämä on todella hidasta. Historiadatan graafisen esityksen voisi ehkä toteuttaa myös jollain muulla tavalla. 9.2. KÄYTTÖLIITTYMÄ Käyttöliittymä on tässä projektissa html sivu, josta viimeisimpiä arvoja ja historiadataa voi vain tarkastella. Kaikki arvot on ohjelmoitu kiinteästi, ja esimerkiksi mittausväliä tai tarkasteltavan huoneen tunnusta ei voi syöttää mistään. Ohjelmassa ei myöskään ole käynnistys eikä sammutusnappulaa. Käyttöliittymään voisi tehdä aloitussivun, jossa tarvittavat asetukset voisi määritellä. Varsinaiseen käyttöliittymään voisi tehdä aloitus ja lopetusnappulat, mitattavan huoneen tunnistenäytön sekä kellon, joka kertoo, kuinka pitkään järjestelmä on ollut käynnissä. Käyttöliittymän voisi myös jakaa useammalle näytölle mittausten tai fyysisen jaon mukaan. 9.3. SKAALAUS Mittausarvojen lukeminen toimii hyvin tällä hetkellä, mutta skaalauksessa on ongelmia. Ongelmat johtunevat todennäköisesti mikrokontrollerien 12

käyttöjännitteestä, joka on ohjelmistossa määritelty välille [0 V; 2,5 V]. Todellisuudessa maksimi ei välttämättä ole aina tuo 2,5 V. Myös mittausta vastaavaan insinööriyksikköön muuntavassa muunnosfunktiossa saattaa olla hieman viilaamisen varaa. 9.4. FYYSINEN RAKENNE Järjestelmää on tarkoitus laajentaa tulevaisuudessa uusilla mittauksilla. Uusien antureiden ja etälaitteiden lisäämisen lisäksi järjestelmän laitteille olisi hyvä tehdä virtakytkimet sekä ulkoiset reset painikkeet mikrokontrollereille, jolloin koteloiden avaamiseen ei olisi jatkuvaa tarvetta järjestelmää käytettäessä. Lisäksi mittauskeskuksen laatikkoon voisi tehdä kantokahvan, jolloin siitä tulisi salkkumainen helposti liikuteltava laite. 13

REVISION HISTORY REV DESCRIPTION DATE APPROVED valaistusvoimakkuus Servodan 43-197 Lämpötila ja kosteus Vaisala HMP50 Hiilidioksidianturi GMP222 Jännitelähde 10-15 Vdc, 2 A mikrokontrolleri ja ZigBee Jännitelähde 24 Vdc, 1,3 A 12 Vdc 24 Vdc X01 X01 X02 X02 X02 X02 käyttöjännite 230 V 230 Vac 230 Vac X01 X01 Mittamuunnin hiilidioksidi Vaisala GMM222 DRAWN CHECKED ENG APPR MGR APPR NAME Tero UNLESS OTHERWISE SPECIFIED DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS ANGLES ±X.X 2 PL ±X.XX 3 PL ±X.XXX DATE 04/27/10 SOLID EDGE UGS - The PLM Company TITLE SIZE DWG NO REV A2 FILE NAME: keskus_kuva.dft SCALE: WEIGHT: SHEET 1 OF 1

REVISION HISTORY REV DESCRIPTION DATE APPROVED Zigbee Lämpötila ja kosteus Vaisala HMP50 Mikrokontrolleri Paristo 9 Vdc Paristo 1,5 Vdc Scale 2:1 DRAWN CHECKED ENG APPR MGR APPR NAME Tero UNLESS OTHERWISE SPECIFIED DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS ANGLES ±X.X 2 PL ±X.XX 3 PL ±X.XXX DATE 04/28/10 SOLID EDGE UGS - The PLM Company TITLE SIZE DWG NO REV A2 FILE NAME: Satelliitti.dft SCALE: WEIGHT: SHEET 1 OF 1

L Ä MP ÖT I L A-MI T T A US K E S K US

Keskuslaitteen johdotuskaavio Kohde Käyttö Johdin Liitin X01 (ala) Kohde Kohde Käyttö Johdin Liitin X02 (ylä) Kohde MC1(GND) N 1 12VDC N MC1(+) 12 V Syöttö 2 12 VDC + T/H(N) N Sin 3 24 VDC N T/H(+) 12 V Syöttö Rusk 4 12 VDC + CO2(GND) N Musta 5 X01(1,3) CO2(+) 12 V Syöttö Pun 6 12 VDC + CO2(N) N Ora 7 X01(1,3) 12 V Syöttö 8 12 VDC + X01(37) N 9 X01(1,3) 12 V Syöttö 10 12 VDC + LUX(2) N Musta 11 X01(1,3) VARA 12 LUX(nolla) N Musta 13 X01(1,3) LUX(1) 24 v Syöttö Pun 14 24 VDC + N 15 X01(1,3) 24 v Syöttö 16 24 VDC + N 17 X01(1,3) 24 v Syöttö 18 24 VDC + N 19 X01(1,3) VARA 20 T/H(T) Lämpötila 1 Musta 21 MC1(PA1) VARA 22 T/H(H) Kosteus 1 Valk 23 MC1(PA2) VARA 24 CO2(V) CO2 1 Ora 25 MC1(PA3) VARA 26 LUX(Mittaus) Valaistusvoimakkuus Ora 27 MC1(PA4) VARA 28 VARA(Mittaus) 29 MC1(PA5) VARA 30 VARA(Mittaus) 31 MC1(PA6) VARA 32 VARA(Mittaus) 33 MC1(PA7) VARA 34 VARA(Mittaus) 35 MC1(PA8) VARA 36 X01(9) N 37 MC1(PA9(GND)) VARA 38 VARA 39 VARA 40

Käyttöohje sisäilmamittauksien toteuttamiseksi Mittauksen aloittaminen 1. Ennen uuden mittaustapahtuman aloittamista on suositeltavaa poistaa mahdolliset aikaisemmat mittaustulokset (txt tiedostot) palvelimelta, johon keskusmikrokontrolleri (linux coordinator) on kiinnitetty. Nämä löytyvät oletusarvoisesti kansiosta /home/pilot/ilmari_platform/build. Älä kuitenkaan poista tiedostoa CMakeCache.txt. 2. Käynnistä palvelimen keskusmikrokontrollerin ohjelma. Palvelimeen on ensin otettava yhteys esimerkiksi SSH:lla. ssh pilot@130.233.120.135 Ohjelman käynnistystiedosto sijaitsee hakemistossa /home/pilot/ilmari_platform/build, ja se käynnistetään komennolla./ilmari /dev/ttyacmx, jossa X:n paikalle laitetaan portin numero, johon mikrokontrolleri on kytketty (yleensä 0). Ohjelma suorittaa vaadittavat aloitustoiminnot, ja kun viimeisellä rivillä lukee Writing settings file. ohjelma on valmis ottamaan vastaan ZigBee verkon laitteiden lähettämiä viestejä. Ohjelman saa suljettua näppäinyhdistelmällä Ctrl+c tai antamalla komennoksi q ja painamalla enter. Ohjelman voi käynnistää uudelleen komennolla l. 3. Kytke mittauskeskus sekä etämittauslaitteet päälle Keskuslaite kytketään liittämällä virtajohto pistorasiaan ja etälaitteet puolestaan laittamalla tarvittavat paristot niiden mikrokontrollereihin (1,5 V) ja antureihin (9 V). 4. Yhdistä mittauslaitteet ZigBee:llä keskusmikrokontrolleriin ZigBee ohjelmisto ottaa automaattisesti yhteyden keskusmikrokontrolleriin uudelleen käynnistyksen yhteydessä. Etälaitteiden mikrokontrollerit resetoidaan painamalla painamalla paristokotelon alla olevaa reset nappulaa kerran, jolloin piirilevyn valojen pitäisi syttyä palamaan. Valojen sammuttua täytyy vielä painaa pohjaan mikrokontrollerin toista painiketta (PC5) niin kauan että valot syttyvät. Tämän jälkeen yhteys on muodostettu mikrokontrollerin suoritettua alustustoiminnot. Yhteyttä voi testata painamalla lyhyesti mikrokontrollerin painiketta PC5, jolloin langattoman verkon yli lähtetyn viestin pitäisi näkyä palvelimella pyörivässä ohjelmassa. Mittauskeskuksen mikrokontrolleri alustetaan samalla tavalla, ja se löytyy mustasta suojakotelosta (Kuva 1: laitteen yläreunassa). Kun mittauskeskusta käsitellään ilman kantta tulee noudattaa erityistä varovaisuutta, sillä teholähteiden pinneihin on kytketty verkkojännite.

Kuva 1. Mittauskeskus ilman kantta 5. Mittaustietojen seuranta Tässä vaiheessa laitteet lähettävät antureiden mittaustiedot minuutin välein keskusmikrokontrollerille, ja välitettyjen viestien pitäisi näkyä palvelimella pyörivässä keskusmikrokontrollerin ohjelmassa. Mittauksien tarkasteluun tarkoitettua html käyttöliittymää voi käyttää selaimella miltä tahansa tietokoneelta. Käyttöliittymän osoite on http://130.233.120.135/ilmasto/index.php Käyttöliittymän tiedostot löytyvät palvelimelta hakemistosta /var/www/ilmasto. Asetuksien muuttaminen Laitteiston ohjelmointi on tehty Eclipse sovelluskehittimellä, jolla myös muutosten tekeminen onnistuu helpoiten. Muutosten jälkeen uusi ohjelmisto on ladattava laitteiden mikrokontrollereille ja/tai palvelimelle riippuen siitä mitä muutoksia on tehty. Ohjelmiston lataaminen onnistuu seuraavasti: Ohjelman lataaminen mikrokontrollerille 1. Tallenna tehdyt muutokset Eclipsessä ja käännä (build) ohjelma oikeeseen kokoonpanoon (end device tai router). 2. Ohjelma ladataan mikrokontrollerille AVR:n STK500 mikrokontrollerilla, joita löytyy labrasta useita. Lataamista varten kohdemikrokontrolleriin on liitettävä latausjohto kohtaan, jossa on kuusi pinniä samassa ryhmässä. Oikeat pinnit voi tarvittaessa tarkistaa mikrokontrollien datasheeteistä tai tiedustella esimerkiksi labran työntekijä Johannes Aallolta. Irroita mikrokontrollerin paristo lataamisen ajaksi. 3. Lataa ohjelma Eclipsestä painikkeella, jossa lukee AVR ja on vihreä nuoli. 4. Mikäli Eclipse antaa virheilmoituksen, täytyy tällöin valita koko projektin (Ilmari_platform) ominaisuuksista (properties) AVRDude kohdasta uusi projekti ja painaa OK. 5. Irrota latausjohto, ja mikrokontrolleri on uudelleen käynnistyksen jälkeen toimintakunnossa. Ohjelman lataaminen palvelimelle 1. Tallenna tehdyt muutokset Eclipsessä ja käännä (build) ohjelma oikeeseen kokoonpanoon (linux_coordinator).

2. Pakkaa koko projektin kaikki tiedostot ja siirrä zippi linux palvelimelle esimerkiksi scp komennolla. 3. Pura tiedostot palvelimella aikaisemmin olleiden päälle 4. Projektin build hakemistossa aja komento make clean ja tämän jälkeen komento make, joka tekee uuden käynnistystiedoston ohjelmalle. Palvelimen arkkitehtuurista johtuen Eclipsessä käännetyt käynnistystiedostot eivät välttämättä toimi suoraan. 5. Tämän jälkeen muutokset on päivitetty ja palvelimen keskusmikrokontrolleriohjelma on valmis käynnistettäväksi edellä olevilla ohjeilla.

Projektin ajankäyttö Työmäärä Paikalla Yht. Päivämäärä Aika Mitä tehtiin Paikalla (h/hlö) (hlöä) (h) 22.-24.1.2010 2h Tiedonhakua Kaikki 2 4 8 25.1.2010 19.00-20.00 Ennakkokysymyksiä tiimin kesken Kaikki 1 4 4 29.1.2010 14.00-15.00 Projektipalaveri tiimi+harmo+aalto Kaikki 1 4 4 viikko 5 4h Esisuunnittelua Kaikki 4 4 16 7.2.2010 su 18.30-21.30 Projektisuunnitelman tekoa Kaikki 3 4 12 8.2.2010 ma 18.30-23.30 Esisuunnittelua (3h) ja Projektisuunnitelmaa (2h) Kaikki 5 4 20 15.2.2010 ma 9.00-11.30 Järjestelmään tutustuminen Lauri, Tero, Niko 2,5 3 7,5 23.2.2010 ti 10.00-12.00 ZigBee-yhteyden konfigurointi, viestin sisällön muuttaminen Lauri, Panu 2 2 4 4.3.2010 to 12.00-13.00 Projektipalaveri Kaikki 1 4 4 Viestin sisällön muuttaminen, potentiometrin kiinnitys, debug-viestien 9.3.2010 ti 12.00-15.00 teko, analogia-digitaali -muunnos Lauri, Panu 3 2 6 12.-14.3.2010 5h Väliraportin koostaminen Kaikki 5 4 20 vko 11 5h Ryhmän sisäinen palaveri, anturitilauksen hoitaminen Vaisalan kanssa Kaikki 5 4 20 17.3.2010 12.00-14.00 Väliraportin esittäminen Panu, Lauri 2 2 4 19.-21.3.2010 3h C->XML->Graph/muuta esityssuunnittelua Kaikki 3 4 12 25.3.2010 to 9.30-14.00 Palaveri, anturitilauksen tarkistus, konffausta, datan esitystä Kaikki 4,5 4 18 5.4. ma 8h Tiedon esitys: C->XML->HTML(Adobe Flashin avulla) Panu 8 1 8 Lämpötila/kosteusanturin ja hiilidioksidianturin liittäminen sisäilmakeskuksen fyysinen rakentaminen, tiedon esityksen integrointi 6.4. ti 14.00-19.00 järjestelmään ja tiedon tallennuksen hahmottelua Lauri, Niko, Panu 5 3 15 Tiedon tallennuksen koodaus: datan tallennus tiedostoon, viimeisimpien arvojen luku tiedostosta pinoon ja kirjoitus siitä xml-tiedostoksi esitystä varten 7.4. ke 17.00-20.00 Panu 3 1 3 Tiedon tallennuksen ongelmien selvitys, projektipalaveri, teholähteiden 8.4. to 9.00-16.00 asennus Kaikki 7 4 28 Sisäilmakeskuksen rakennus, etäyksiköiden suunnittelua 15.4. to 9.00-14.00 hankintoja ja projektipalaveri Lauri, Tero, Niko 5 3 15 12.-16.4. 6h Ohjelmointia Lauri 6 1 6 16.4. pe 1h Osien etsintää, keskuksen rakennusta Niko 1 1 1 Tiedon esitys, mittausten skaalaus, tiedon tallennus, sisäilmakeskuksen 19.4. ma 8.00-17.00 rakennus Panu, Lauri, Niko 9 3 27

Työmäärä Paikalla Yht. Päivämäärä Aika Mitä tehtiin Paikalla (h/hlö) (hlöä) (h) 20.4. ti 2h Dokumentoinnin suunnittelu Tero 2 1 2 21.4. ke 12.00-16.00 Tiedon esitys, mittausten skaalaus, tiedon tallennus Panu, Lauri 4 2 8 Läpivientien tekemistä, etäyksiköiden rakennus&ohjelmointi, testausta, 22.4. to 8.00-18.00 projektipalaveri Kaikki 10 4 40 HTML- ja XML-koodausta, ZigBeen-ohjelman parannusta, ensimmäinen 23.4. pe 12.00-15.30 demo Panu, Lauri 3,5 2 7 23.4. pe 18.00-20.00 Dokumentoinnin suunnittelu, aikataulun päivitystä Panu, Tero 2 2 4 Suunnittelutyötä, hankintojen selvittelyä ja hoitamista, tiedon käsittelyä koko ajalta 10h Kaikki 10 4 40 24.4.-2.5. 6h Loppuraportin kirjoitus Kaikki 6 4 24 Ohjelmiston siirtäminen Linux-palvelimeen, skaalauksia ja 26.4. 12.00-18.30 yhteensopivuutta Panu, Lauri 6,5 2 13 Testausta ja debuggausta Linux.palvelimella, 27.4. 10.00-16.00 reaaliaikaisen tiedon esityksen ohjelmointi Kaikki 6 4 24 Viimehetken konffaus, esityskalvojen teko, laitteiston siirto demotilaan ja 28.4. 10.00-14.00 demo Niko, Tero, Panu 4 3 12 2.5.-3.5.2010 3h Käyttöohjeiden ja raportin liitteiden tekoa, raportin viimeistely Kaikki 3 4 12 Yhteensä: 145 448,5

Projektiin liittyvät riskit, niiden todennäköisyys ja vaikutukset sekä niistä aiheutuvat toimenpiteet Riski Todennäköisyys Vaikutus Välttäminen Vaikutuksien minimointi Toiminta toteutuessa Toteutuminen Ei löydy sopivia antureita (hinta, kytkentämahdollisuudet, koko) Pieni Suuri Teemme kattavan selvityksen mahdollisista valmistajista Lisärahoituksen hankkiminen projektin toteuttamiseksi Projektin määritysten muuttaminen Äänianturi, ilman liikenopeus Tarvittavia komponentteja ei saada tarpeeksi nopeasti Pieni Keskisuuri Aloitamme etsimisen ja hankkimisen heti Aikataulun järjesteleminen uudestaan (teemme tehtäviä, joissa kyseistä komponenttia ei tarvita) Lisäämme työmäärää projektin loppupuolella Toteutui useimpien komponenttien kohdalla Ongelmat käytettävien teknologioiden tuoreuden takia (esim. yhteensopivuusongelmat) Keskisuuri Keskisuuri Varmistamme komponenttien yhteensopivuuden Vaihtoehtoisten toimintatapojen miettiminen Vaihtoehtoisten teknologioiden käyttäminen Ei juurikaan esiintynyt Ongelmat toteutuksessa, koska tarvittavat menetelmät eivät ole tekijöille entuudestaan tuttuja Työtehtävät vaativat enemmän aikaa, kuin oli suunniteltu Projektin toteuttamiseen tarvittava aika on määritelty liian suureksi Suuri Keskisuuri Pieni Pieni Pieni Positiivinen ja Keskisuuri Tutustumme saatavissa oleviin materiaaleihin ja konsultoimme kokeneempia jäseniä ennen työn aloittamista Aikataulun pitävyyden jatkuva seuraaminen (viikkopalaverit) Konsultoimme projektin kokeneempia osapuolia Aikataulun työmääriä ei mitoiteta liian tiukoiksi - - Projektin kokeneempien osapuolien konsultointi tai tarvittaessa osaaminen etsiminen projektiorganisaation ulkopuolelta Projektiryhmän jäsenet järjestävät lisää aikaa muun elämisen kustannuksella niin halutessaan tai vaihtoehtoisesti karsitaan projektin tavoitteista Toteutetaan suunniteltuja mahdollisia lisäominaisuuksia Ongelmia esiintyi lähinnä työn pohjana käytetyn ZigBeeohjelmiston kanssa, mutta niistä selvittiin aiheeseen perehtyneen Johannes Aallon avustuksella Toimitusaikariski Aika oli määritelty sopivasti, ei ehditty lisäominaisuuksiin, pyritään dokumentoinnilla varmistamaan, että jatkaminen on mahdollisimman helppoa

Sisäilmaston mittausaseman rakennevaihtoehdot Sisäilmaston mittausaseman tarkoituksena on kerätä tietoa huoneiston sisäilman laadusta. Järjestelmä sisältää joukon antureita, joilla kerätään historiatietoa Theregate-palvelimelle. Yksi keskeisiä suunnittelupäätöksiä on tiedonsiirto antureiden ja Theregate-palvelimen välillä, sekä näiden fyysinen sijoittelu. Vaihtoehto 1 Täysin langaton tiedonsiirto Projektityön alkaessa saimme valmiina Antti Karjalaisen diplomityössä toteutetut ZigBeetiedonsiirtoa varten rakennetut mikrokontrollerit. Johannes Aalto rakentaa ThereGate:en USBrajapintaa, johon pystyy liittämään ZigBee-moduulin. Tässä vaihtoehdossa ThereGate toimisi anturiverkon kontrolloijana, ja langattomat anturit olisivat suoraan yhteydessä ThereGate:en. Tämän vaihtoehdon suurimmaksi ongelmaksi muodostuisi joidenkin antureiden (esim. hiilidioksidianturi 100mA) korkea tehontarve. Emme katsoneet langattomuutta näiden antureiden kohdalla järkeväksi niiden vaatiman suuren akun tai verkkovirtayhteyden takia. Etuna ratkaisussa olisi kuitenkin kaikkien antureiden vapaa sijoittaminen niille optimaaliseen paikkaan. ANTURI 1 ANTURI 2 ANTURI 3 ANTURI 4 ZIGBEE VERKKO THEREGATE

Vaihtoehto 2 Sisäilmakeskus Toisena ääripäänä mietimme kaikkien antureiden sijoittamista sisäilmakeskukseen. Keskuksena voisi prototyyppi-versiossa toimia esimerkiksi Rittal:n kytkentäkotelo. Sijoittaisimme kaikki anturit keskuksen yhteyteen, ja tarvittava tehonsyöttö tulisi keskuksesta, joka kytkettäisiin verkkojännitteeseen. Tarvittavat tasajännitetehonlähteet sijoitettaisiin keskuksen sisälle. Myös ThereGate liitettäisiin keskuksen yhteyteen, jolloin myöskään langatonta tiedonsiirtoa ei tarvittaisi. Etuna ratkaisussa olisi kompakti paketti, joka on erittäin helppo siirtää tilasta toiseen. Ongelmaksi muodostuu kuitenkin optimaalinen antureiden sijoittelu. ANTURI 1 ANTURI 1 ANTURI 1 ANTURI 1 THEREGATE Vaihtoehto 3 Osittain hajautettu järjestelmä Kolmas vaihtoehto on yhdistelmä kahta aikaisempaa. Rakennuksen kosteutta ja lämpötilaa on tärkeä mitata useista huoneista ja erityyppisistä sijainneista, joten ainakin näiden antureiden tulisi olla sijoitettavissa erilleen. Vaisalan yhdistettyjen kosteus- ja lämpötila-antureiden virrankulutus on vain 2mA, joten niiden toiminta-aika on paristokäyttöisinäkin varsin pitkä. Rakentaisimme kuitenkin sisäilmakeskuksen, johon sijoitettaisiin paljon tehoa kuluttavat anturit sekä niiden vaatimat 12VDC ja 24VDC-muuntajat, jolloin keskus liitettäisiin verkkojännitteeseen. ThereGate:n sijoittamiselle jää kaksi vaihtoehtoa: joko keskuksen yhteyteen tai erilleen. Totesimme erilleen sijoittamisen etuna olevan mahdollisuus käyttää ThereGate:a muuhunkin kuin sisäilmastopalvelimena. Jos tulevaisuudessa kotipalvelimet yleistyvät, voitaisiin järjestelmä tällöin liittää olemassa olevaan kotipalvelimeen lisäämällä vain tarvittavat ohjelmat ja USB-ZigBee sovitin. Tällöin järjestelmän hinta laskisi, kun järjestelmään ei tarvita kiinteää palvelinta. Tämä edellyttäisi ZigBee-verkon käyttöä datansiirtoon, ja jokaisella erillisellä anturilla olisi oma ZigBeemoduuli, joita tarvittaisiin sisäilmakeskuksen antureiden määrästä ja liityntätavasta riippuen useampia. Toinen vaihtoehto on sijoittaa ThereGate sisäilmakeskukseen, jolloin järjestelmä tarvitsisi oman palvelimen. Tämä kuitenkin sallisi keskuslaitteessa olevien antureiden liittämisen suoraan ThereGate:en ja vähentäisi näin langattoman tiedonsiirron tarvetta.

ANTURI 3 ANTURI 4 ANTURI 1 ANTURI 2 MITTAUSKESKUS ZIGBEE VERKKO THEREGATE Valintaperusteet Koska haluamme mitata lämpötiloja useammasta kohteesta, tarvitsemme järjestelmään ainakin osittaista langattomuutta. Tällöin vaihtoehto 2 putoaa pois. Joidenkin antureiden korkea tehonkulutus puoltaa kuitenkin sisäilmakeskuksen rakentamista. Tästä johtuen päädyimme hybridivaihtoehtoon, jossa toteutus sisältää muutamia langattomia paristokäyttöisiä antureita sekä sisäilmakeskuksen, johon sijoitetaan tehonkulutukseltaan vaativampia antureita. Alustavasti päätimme myös sijoittaa ThereGate:n erilliseksi laitteeksi yllämainituilla perusteilla. Nykyisillä anturivalinnoilla joudumme käyttämään sisäilmakeskuksessa kahta eri jännitetasoa. Tutkimme kuitenkin mahdollisuutta siirtyä vain yhden jännitetason käyttöön.