Sisäilmatiimi VÄLIRAPORTTI

Sisäilmatiimi VÄLIRAPORTTI Niko Koski, Lauri Töllikkö, Tero Leskinen ja Panu Auvinen 15.2.2010

2 Sisällysluettelo 1. TAUSTA JA HYÖDYT... 1 2. PÄÄMÄÄRÄ JA TAVOITTEET... 1 3. RISKIENHALLINTA... 1 4. PROJEKTIORGANISAATIO JA VASTUUT... 2 5. TOTEUTUKSEN LAAJUUS... 2 6. TYÖN OSITUS... 4 7. AIKATAULUN HALLINTA... 4 8. RESURSSIEN HALLINTA... 5 9. HANKINTOJEN HALLINTA JA BUDJETOINTI... 5 10. DOKUMENTOINTI, RAPORTOINTI JA VIESTINTÄ... 6 LIITTEET

1 1. TAUSTA JA HYÖDYT Projektimme, Sisäilmastonmittausjärjestelmän rakentaminen Zigbee verkon avulla, toteutetaan yhteistyössä DIEM Building Automation projektin kanssa. DIEM BA osallistuu Solar Decathlon nimiseen energiapihin koetalon toteutuskilpailuun (http://www.sdeurope.org/) osana Aalto yliopiston joukkuetta. Sisäilmastonlaatu on subjektiivinen käsite ja sen mittaaminen ei ole yksiselitteistä, koska eri henkilöt kokevat esimerkiksi sopivan huoneenlämpötilan erisuuruiseksi. Lisätietoa sisäilmanlaatukriteereistä löytyy liitteenä olevasta tiivistelmästä. 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. Sisäilmastonlaatukriteereitä ovat mm. lämpötila, taustamelu, valoisuus ja hiilidioksidipitoisuus. Järjestelmässä tulisi hyödyntää teknologiaa jota on kehitetty ikäihmisten kotiautomaatioon. 2. PÄÄMÄÄRÄ JA TAVOITTEET Päämääränä on saada suunniteltua, toteutettua ja testattua demojärjestelmä, jolla pystytään mittaamaan joitakin 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. Järjestelmän teknistä toteutusta on kuvattu tarkemmin kohdassa 5. Projektin osana asennamme sisäilmaston mittauskeskuksen Solar Decathlon taloon. Mahdollisuuksien mukaan kehitämme järjestelmän ominaisuuksia pidemmälle. 3. RISKIENHALLINTA Projektin toteuttamisessa todennäköisemmin esiintyvät riskit epäsuotuisine vaikutuksineen, ehkäisytoimenpiteineen ja niiden toteutuessa tehtävine toimenpiteineen on esitetty liitteenä olevassa taulukossa. Todennäköisin toteutusta vaikeuttava riski on projektiryhmän jäsenien vähäinen ennakkotuntemus toteutuksessa tarvittavista menetelmistä ja tekniikoista (lähinnä mikrokontrollien ohjelmointi ja langaton ZigBee verkko). Tämän riskin vaikutukset voidaan kuitenkin olettaa pieniksi, sillä projektin muilta osapuolilta on tarvittaessa löydettävissä parempaa osaamista. Käytettävä ZigBee tekniikka on uutta, joten sen käyttöönotossa on oletettavissa ongelmia. ThereGate palvelinta ei ole vielä saatu, ja on olemassa mahdollisuus, että toteutamme projektin ilman sitä tai joudumme pienentämään kyseisen osuuden laajuutta. Aikatauluriski ZigBee järjestelmän osalta on jo toteutunut, sillä Antti Karjalaisen toteuttamaan ZigBee

2 ohjelmakoodiin tutustumiseen on mennyt suunniteltua enemmän aikaa järjestelmän laajuuden ja puutteellisen dokumentoinnin takia. 4. PROJEKTIORGANISAATIO JA VASTUUT Projektin omistajana ja asiakkaana toimii Panu Harmo. Seuraavassa on kerrottu projektiryhmään kuuluvat henkilöt vastuualueineen: Niko Koski (keskusmikrokontrollerin toteuttaminen), Lauri Töllikkö (ThereGaten ohjelmointi ja hyödyntäminen), Panu Auvinen (anturin ja mikrokontrollerin yhdistäminen muuhun laitteistoon) ja Tero Leskinen (mittauskeskuksen fyysinen suunnittelu ja rakentaminen sekä testaus). Edellä mainitut ovat vain ensisijaisia vastuualueita, ja käytännössä tehtävät tullaan toteuttamaan ainakin osittain yhdessä projektin opetuksellisen luonteen takia, jolloin myös työmäärä jakautuu tasaisemmin. Tarkempi kuvaus eri tehtävistä löytyy suunnitelman osiosta työn ositus. Taulukko 1. Projektiryhmän jäsenet ja vastuualueet Vastuualue: Niko Koski Lauri Töllikkö Panu Auvinen Tero Leskinen Antureiden ja Mittauskeskuksen ThereGatepalvelimen ZigBee verkon ja mikrokontrollerien fyysinen keskusmikrokontrollerin yhdistäminen suunnittelu ja ohjelmointi ja toteuttaminen muuhun rakentaminen hyödyntäminen laitteistoon sekä testaus Tähän mennessä projektin eri osa alueita on tehty pääsääntöisesti koko ryhmän voimin, jotta kaikki saisivat hyvän yleiskäsityksen toteutuksesta. Lisäksi työtehtävien jaottelu ei ole vielä ollut mahdollista puuttuvien laitteiden vuoksi. 5. TOTEUTUKSEN LAAJUUS Sisäilmanmittauslaitteiston toteutus koostuu keskuslaitteesta (kuvassa Sisäilmakeskus ) sekä irrallisista antureista, jotka kommunikoivat langattomasti keskuslaitteen kanssa lyhyen kantaman ZigBee tietoliikenneverkon kautta. ZigBeetä tukevia antureita ei todennäköisesti ole saatavilla suoraan, joten kommunikoinnin mahdollistamiseksi anturit liitetään ZigBee moduulin sisältävään mikrokontrolleriin. Keskuslaitteeseen sisältyy ZigBee verkon tiedonsiirron hallinnoinnista vastaava keskusmikrokontrolleri vaativimpia mittauksia suorittavia antureita yhdistettynä keskusmikrokontrolleriin vielä määrittelemättömän rajapinnan kautta sekä ThereGate palvelin, joka suorittaa saatujen mittaustietojen tallennuksen ja käsittelyn. Keskuslaitteessa olevat anturit voidaan mahdollisesti liittää myös suoraan ThereGatepalvelimeen USB väyläsovittimen kautta. ThereGate palvelimelle toteutetaan käyttöliittymä, jonka avulla mittaustietoja on mahdollista tarkastella esimerkiksi erilaisten graafisten kuvaajien muodossa. ThereGate palvelin on mahdollista liittää Ethernetin kautta internetiin,

3 jolloin mittauslaitteistolle on mahdollista toteuttaa web pohjainen valvontajärjestelmä, mikäli tämän toteutus on teknisen osaamisen ja projektin aikataulujen puitteissa mahdollista. Tähän mennessä olemme saaneet toimimaan lähetettävän mittausviestin muokkauksen sekä tiedonvälityksen keskusmikrokontrollerin (Linux koordinaattori) ja anturimikrokontrollien (reititin) ZigBee verkon välityksellä. Anturien puuttuessa olemme käyttäneet mittausviestien simuloimiseen mikrokontrolleriin kytkettyä potentiometriä. Potentiometriltä tuleva analoginen mittaustieto saadaan muutettua digitaaliseksi ja välitettyä keskusmikrokontrollerille käsittelyä varten. Projektiin yhteistyökumppaniksi lähteneeltä Vaisalalta on tilattu seuraavat anturit: 2 kpl CARBOCAP hiilidioksidilähetin GMW115 2 kpl INTERCAP kosteus ja lämpötilalähettimet HMW50 1 kpl INTERCAP kosteus ja lämpötilalähettimet HMP50 1 kpl WINDCAP ultraäänituulianturi WS425 1 kpl BAROCAP digitaalinen barometri PTB330 Näiden lisäksi mahdollisesti toteutettaviin mittaussuureisiin tarvittavia antureita hankitaan, kunhan edelliset on saatu liitettyä järjestelmään onnistuneesti.

4 6. TYÖN OSITUS Työ on ositettu neljään pääosaan: Anturit ja mikrokontrollerit (105h), keskusmikrokontrolleri ja yhteydet (100h), Theregate (110h), ja keskuksen rakentaminen (100h). Tämän lisäksi Projektin päävaiheisiin sisältyy järjestelmän testaaminen (40h) ja dokumentointi (50h), joita tehdään jatkuvasti projektin edistyessä. Jokainen pääalueista on jaettu liitteenä olevan aikataulun mukaisesti pienempiin kokonaisuuksiin. Projektiryhmästä on nimetty vastuuhenkilöt jokaiselle osakokonaisuudelle, pyrimme kuitenkin tekemään töitä ristiin oppiaksemme myös muilta osaalueilta. Aikataulu on tehty oletukselta että yhden viikon aikana käytetään kuhunkin tehtävään 5h aikaa. Työmääräksi tulee siten yhteensä noin 505 tuntia. Tämän lisäksi Johannes Aalto on luvannut suunnitella ja toteuttaa Theregate palvelimen ja mikrokontrollerin välisen liitynnän (50h). ThereGate palvelimen konfigurointi muuttuu mahdollisesti Linux palvelimen konfiguroinniksi, mikäli ThereGatea ei saada riittävän ajoissa käyttöön. 7. AIKATAULUN HALLINTA Projektin alustava aikataulu on esitetty liitteessä 1. Esitystavaksi on valittu Gantt kaavio sen havainnollisuuden vuoksi. Aikataulussa on osittaisia riippuvuussuhteita toisista tehtävistä, kuten esimerkiksi yhteyksien testausvaiheessa pitää molempien laitteiden olla valmiita. Aikataulun voi jakaa kronologisesti kolmeen osaan. Tammi helmikuu menee pääasiassa suunnittelussa, teknisiin laitteisiin tutustumisessa ja vaatimusten tarkentamisesta. Tässä vaiheessa pyrimme pienillä testisovelluksilla ratkaisemaan teknologian aiheuttamat pulmat ja selvittämään mahdolliset ongelmatilanteet, jotta seuraavassa vaiheessa pääsemme rakentamaan lopullista sovellusta ja laitteistoa. Maaliskuussa on vuorossa suunnitelmien toteuttamisvaihe. Tämä vaihe sisältää ohjelmoinnin, fyysiset kytkennät sekä lopullisen ohjelmoinnin ja teknisen dokumentoinnin aloittamisen. Tämän vaiheen jälkeen meillä pitäisi olla jo kohtuullisen hyvin toimiva järjestelmä. Viimeisessä vaiheessa keskitymme järjestelmän integroimiseen, toteutuksen testaamiseen ja loppudokumentaation luomiseen. Projektin DL on huhtikuun 21. päivä, jolloin tulokset esitellään muille projektiryhmille. Aikataulun etenemistä seuraamme viikoittain torstaisessa projektipalaverissamme projektin omistajan kanssa. Projektiryhmä järjestää tähän palaveriin päivitetyn aikataulun, johon on merkitty eri tehtävien edistyminen. Tarvittaessa sovimme palaverissa toimenpiteistä joilla aikataulu saadaan kiinni. Projektin edistymisen mukaan päivitetty Gantt kaavio löytyy liitteenä. Seuraavassa lyhyesti koottuna sanallisesti kaaviostakin näkyvä eri osa alueiden eteminen. Anturit+mikrokontrollerit: lähes aikataulussa, pystytään toteuttamaan. Keskusmikrokontrolleri: lähes aikataulussa, pystytään toteuttamaan.

5 ThereGate: pahasti myöhässä opiskelijaryhmästä johtumattomista syistä. Toteutuksen laajuutta on mahdollisesti pienennettävä tai toteutustapa muutettava kokonaan, mikäli ThereGate palvelinta ei saadakaan projektin käyttöön. Keskuksen rakentaminen: lähes aikataulussa, pystytään toteuttamaan. Dokumentointi: hieman myöhässä. 8. RESURSSIEN HALLINTA Projektin tärkeimpänä resurssina toimii opiskelijoiden muodostama projektiryhmä. Ryhmän jäseniltä on varattu projektiin aikaa noin 500h, joka ylittää noin 70 tunnilla kurssin tavoitelaajuuden (4op*4hlö*27h = 432h). Jos kuitenkin näyttää, että resurssitarve on arvioitu väärin, suoritetaan projektin laajuuden arviointi uudestaan projektin omistajan kanssa. Resurssitarvetta seurataan reaaliaikaisesti edellä mainituissa viikkopalavereissa. Pyrimme saamaan projektin tavoitteet suoritettua, välttäen yksittäisille opiskelijoille aiheutuvaa liiallista kuormitusta. Tähän mennessä projektiin on käytetty aikaa n. 30 tuntia opiskelijaa kohden eli yhteensä n. 120 tuntia. Tämä on suunniteltua määrää pienempi, mutta projektin toteutus oli alun perinkin tarkoitus tehdä pääpainoisesti neljännen periodin aikana. 9. HANKINTOJEN HALLINTA JA BUDJETOINTI Työssä pyritään hyödyntämään mahdollisimman paljon automaatio ja systeemitekniikan osaston omia komponentteja ja tarvikkeita, kuitenkin siten että laitteistosta saadaan järkevä kokonaisuus. Budjetti mahdollisia hankintoja varten on 2000. Tarjouspyynnöt hankitaan toimittajilta, jotka kykenevät toimittamaan halutunlaisia antureita, virranlähteitä ja koteloita projektin aikatauluvaatimuksiin sopivina. Kaikki ostot hyväksytetään Projektin omistajalla Panu Harmolla. Sopimukset ja laskut tallennetaan projektia varten varattuun kansioon. Kaikki osat, joita projektissa käytetään, kirjataan ylös raportointi ja viestintä kappaleessa esitettyjen periaatteiden mukaisesti. Projektiin yhteistyötahoksi lähteneeltä Vaisalalta saadaan veloituksetta kohdassa viisi mainitut anturit. Muut käytetyt komponentit ja laitteet (ZigBee moduulit, potentiometri, mikrokontrollerit, yms.) on saatu automaatio ja systeemitekniikan osastolta. Projektin tulevina hankintoina tarvitaan lisäksi kaksi teholähdettä (12 ja 24 VDC) keskuslaitteeseen, yksi kannettava teholähde sekä ThereGate palvelin tai vastaava mittaustietojen varastoimiseen ja käsittelyyn. Kaikki tähän mennessä päätetyt hankittavat laitteet ominaisuuksineen löytyvät raportin liitteenä.

6 10. DOKUMENTOINTI, RAPORTOINTI JA VIESTINTÄ Dokumentointi kattaa kaiken tekemämme työn, jotta tuloksia on mahdollista hyödyntää myöhemmin ja toisaalta, jotta kaikki tarvittava projektin seurantaan liittyvä tieto on saatavilla. Kaikki käytetyt komponentit ja tarvikkeet kirjataan ylös. Dokumentista tulee löytyä komponenttien alkuperä, hankintahinta, hankinnan hyväksyntä ja käyttötarkoitus. Kaikista kytkennöistä tulee olla piirikaaviot. Mekaanisista osista ja kokonaisuuksista piirretään sijoituspiirustukset. Kaikkien sähkö ja elektroniikkalaitteiden mukana tulleet tuotekuvaukset, piirikaaviot ja muut tarvittavat asiakirjat taltioidaan ja mahdolliset sähköiset versiot säilytetään. Ohjelmistot ja niiden toiminta pyritään dokumentoimaan ja tuotettua koodia kommentoidaan mahdollisuuksien mukaan. Projektista on tarkoitus kerätä yksi tai useampi kansio, joka sisältää edellä mainitut dokumentit. Lisäksi dokumentit tallennetaan mahdollisuuksien mukaan myös sähköisessä muodossa. Esimerkiksi monisivuisia käyttöohjeiden paperiversioita ei ole mielekästä sähköistää projektin resurssien puitteissa. Viikoittain pyritään pitämään tapaamisia Panu Harmon kanssa, jolle raportoidaan edistymisestä. Lisäksi Harmo auttaa tarvittaessa eri ongelmien ratkaisuissa. Johannes Aallon kanssa tehdään yhteistyötä liittyen mikrokontrollereihin liittyen. Projektityöhön liittyvän kurssin henkilökuntaa informoidaan ennalta määrätyn aikataulun mukaisesti. Tähän mennessä dokumentointia on tehty projektin ajankäytön, projektipalavereiden sisällön ja käytettävän laitteiston osalta. Lisäksi ZigBee järjestelmän ja mikrokontrollereiden ohjelmakoodia on kommentoitu tekemiemme muutoksien osalta.

Hierarkia Selite Kesto Alkaa 1 Anturi + Mikrokontrolleri 58 pv 1.1 Esisuunnittelu 20 pv 1.2 Lämpötila-antureiden hankinta 10 pv 1.3 Mikrokontrollerin ja anturin liittäminen 15 pv 1.3.1 Fyysinen rajapinta 10 pv 1.3.2 Ohjelmistorajapinta 15 pv 1.3.3 Testaus 5 pv 08.03.2010 1.4 Zigbee yhteyden konfigurointi 10 pv 1.5 Muiden antureiden liittämisen suunnittelu 10 pv 1.6 Muiden antureiden hankinta 5 pv 1.7 Muiden antureiden liittäminen 9 pv 22.03.2010 1.8 Antureiden testaus 9 pv 06.04.2010 2 Keskus mikrokontrolleri 49 pv 2.1 Esisuunnittelu 15 pv 2.2 Perussuunnittelu 20 pv 2.3 Ohjelmointi 35 pv 2.3.1 Zigbee-control node 15 pv 2.3.2 Tiedon muokkaus 15 pv 08.03.2010 2.3.3 Tiedon siirto theregateen (Johannes) 25 pv 2.4 Testaus 19 pv 2.4.1 Zigbee verkon testaus 15 pv 2.4.2 Theregate yhteyden testaus 19 pv 08.03.2010 3 Theregate 58 pv 3.1 Esisuunnittelu ja tutustuminen 20 pv 3.2 Perussuunnittelu 30 pv 3.3 Ohjelmointi 48 pv 3.3.1 Mikrokontrolleri yhteys (Johannes) 25 pv 3.3.2 Tiedon käsittely ja varastointi 19 pv 08.03.2010 3.3.3 Tiedon esittäminen 18 pv 22.03.2010 3.4 Testaus 33 pv 3.4.1 Mikrokontrolleri yhteys 10 pv 01.03.2010 3.4.2 Tiedon esittäminen 9 pv 06.04.2010 4 Keskuksen rakentaminen 58 pv 4.1 Esisuunnittelu 20 pv 4.2 Perussuunnittelu 20 pv 4.3 Hankinnat 15 pv 4.3.1 Kotelot 5 pv 08.03.2010 4.3.2 Virtalähteet 15 pv 4.4 Kokoonpano 8 pv 29.03.2010 4.5 Testaus 9 pv 06.04.2010 5 Järjestelmän testaus 18 pv 17.04.2009 5.1 Testaussuunnitelma 9 pv 22.03.2010 5.2 Testaus 9 pv 06.04.2010 6 Dokumentointi 59 pv 6.1 Projektisuunnitelma 11 pv 6.2 Tarkennettu vaatimusmäärittely 15 pv 6.3 Väliraportti 5 pv 6.4 Tekninen dokumentaatio 28 pv 08.03.2010 6.5 Loppuraportti 10 pv 06.04.2010 Sisäilmamittausjärjestelmä Projektiaikataulu 2010 Tammikuu Helmikuu Maaliskuu Huhtikuu 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 Anturi + Mikroko 1.1 2 2.1 3 3.1 4 4.1 6 6.1 2.2 2.3 2.3.3 3.3 3.3.1 1.2 3.2 4.2 6.2 1.3 1.3.1 1.3.2 1.5 2.3.1 3.4 3.4.1 1.3.3 1.4 1.6 2.3.2 2.4 2.4.1 2.4.2 3.3.2 4.3 4.3.1 4.3.2 6.3 6.4 Perussuunnittelu Nykyhetki: 15.03.2010 1.7 3.3.3 5 5.1 4.4 1.8 3.4.2 4.5 5.2 6.5 PlaNet 6.3 HELSINGIN ENERGIA

Projektiin hankittavat laitteet ominaisuuksineen Laite Tuotekoodi Määrä Syöttöjännite Tehontarve Data liityntä 1 Data liityntä 2 CARBOCAP hiilidioksidilähetin GMP343 GMP343 A4B1A0N1AB 2 24 VDC < 1 W 0 2,5 V RS 232 INTERCAP kosteus ja lämpötilalähettimet HMW50 1 12 35 VDC < 1 W 0 1 V INTERCAP kosteus ja lämpötilalähettimet HMP50 HMP50 YAB3B1X 2 7 28 VDC 2mA 0 1 V WINDCAP ultraäänituulianturi WS425 WS425 A1A2B 1 10 15 VDC < 1 W 0 1 V?? RS 232, SDI 12 BAROCAP digitaalinen barometri PTB330 PTB330 B0AEHAACEA4A0B 1 10 35 VDC < 2 W 0 1 V THEREGATE kotipalvelin 1 Mikrokontrolleri + ZigBee moduuli 5 PhoenixContact Mini power Teholähde 24 VDC 1 230 VAC 24 VDC PhoenixContact Mini power Teholähde 12 VDC 1 230 VAC 12 VDC Teholähde kannettava Laite CARBOCAP hiilidioksidilähetin GMP343 INTERCAP kosteus ja lämpötilalähettimet HMW50 INTERCAP kosteus ja lämpötilalähettimet HMP50 WINDCAP ultraäänituulianturi WS425 BAROCAP digitaalinen barometri PTB330 PhoenixContact Mini power Teholähde 24 VDC PhoenixContact Mini power Teholähde 12 VDC Linkki tuotesivuille http://www.vaisala.com/instruments/products/gmp343.html http://www.vaisala.com/instruments/products/hf hmdw4050.html http://www.vaisala.com/instruments/products/hm hmp50.html http://www.vaisala.com/instruments/products/ws425.html http://www.vaisala.com/instruments/products/ptb330.html http://eshop.phoenixcontact.fi/phoenix/treeviewclick.do?uid=205690&parentuid=205681&reloadframe=true http://eshop.phoenixcontact.fi/phoenix/treeviewclick.do?action=assets&uid=2938756&cat=techdata