Model inteligentního domu

Transkript

1 Mendelova univerzita v Brně Provozně ekonomická fakulta Model inteligentního domu Bakalářská práce Vedoucí práce: Ing. Jiří Fejfar, Ph. D. Michal Korolkov Brno 2014

2 Originální zadání

3 Touto cestou bych rád poděkoval vedoucímu bakalářské práce, Ing. Jiřímu Fejfarovi, Ph. D., za věnovaný čas a metodické vedení, odborné rady, cenné náměty a připomínky, které mi pomohly při zpracování této práce.

4 Čestné prohlášení Prohlašuji, že jsem práci: Model inteligentního domu vypracoval samostatně a veškeré použité prameny a informace uvádím v seznamu použité literatury. Souhlasím, aby moje práce byla zveřejněna v souladu s 47b zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách ve znění pozdějších předpisů a v souladu s platnou Směrnicí o zveřejňování vysokoškolských závěrečných prací. Jsem si vědom, že se na moji práci vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., autorský zákon, a že Mendelova univerzita v Brně má právo na uzavření licenční smlouvy a užití této práce jako školního díla podle 60 odst. 1 autorského zákona. Dále se zavazuji, že před sepsáním licenční smlouvy o využití díla jinou osobou (subjektem) si vyžádám písemné stanovisko univerzity, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity, a zavazuji se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla, a to až do jejich skutečné výše. V Brně dne: 10. května

5 Abstract Korolkov M., Intelligent house model. Bachelor thesis. Brno: MENDELU, 2014 Bachelor thesis deals with the design of a software and hardware solution for selected tasks monitoring and internal environment optimization of the implemented intelligent house. The thesis consists of a theoretical part containing the introduction to the problems and the practical part, which describes the selection of hardware monitoring solution and software solution, which is represented by the database and the application to manage and optimize the internal environment. Keywords Intelligent house, automatization, internal enviroment, PostGIS, heating loss. Abstrakt Korolkov M., Model inteligentního domu. Bakalářská práce. Brno: MENDELU, 2014 Bakalářská práce pojednává o návrhu softwarového a hardwarového řešení monitorování vybraných úloh a optimalizaci vnitřního prostředí implementovaného inteligentního domu. Bakalářská práce se skládá z části teoretické, kde je uvedení do problematiky a části praktické, kde je popsán výběr HW řešení pro monitorování a SW řešení, představující databázi a aplikaci pro řízení a optimalizaci vnitřního prostředí. Klíčová slova Inteligentní dům, automatizace, vnitřní prostředí, PostGIS, tepelné ztráty.

6 OBSAH 6 Obsah 1 Úvod a cíl práce Úvod Cíl práce Stanovení dílčích cílů Literární rešerše Inteligentní dům Získáni dat Úloha k řešení Modelování Vizualizace a zobrazení informací Inteligentní dům Infrastruktura Ovládaná zařízení Plánovaný vývoj Dostupná SW řešení Reliance Freedomotic Cenová kalkulace Cena elektroinstalace Úspora a spotřeba energie Vnitřní prostředí objektu Nejvýznamnější faktory ovlivňující IM Světlo Teplota Vlhkost Akustika Tepelné ztráty budov Předběžný výpočet tepelných ztrát Přesný výpočet tepelných ztrát Software pro modelování domů SketchUp Make CityGML Modelování Reprezentace objektů Textury PostGIS Rozšiřující funkce

7 OBSAH Alternativy Návrh HW řešení Výběr teplotního senzoru TQS Výběr senzoru intenzity světla P21M Detektory Akční člen RM Návrh SW řešení Databáze Implementace domu Ukázka vložení objektu do databáze Aplikace Vzhled Funkcionalita Další funkce Řízení a optimalizace vnitřního prostředí Řízení Optimalizace vnitřního prostředí Diskuse Závěr Reference 45 Přílohy 47 A Technické parametry zařízení 48 B Součinitel prostupu tepla 49 C Výpočtová venkovní teplota 51 D Obsah CD 52

8 1 ÚVOD A CÍL PRÁCE 8 1 Úvod a cíl práce 1.1 Úvod V současné době je ve světě mohutný rozmach inteligentních domácností. Za hlavní příčiny lze označit zvyšující se ceny energií, dopad na ekologii a stoupající význam ochrany domácností. Výsledkem je domácnost řízená systémem, kterou lze označit za nízkoenergetickou nebo dokonce pasivní. Taková domácnost, mimo jiné, snižuje provozní náklady a zvyšuje komfort. Toto řešení není pouze momentálním trendem, ale bude mít i své uplatnění v budoucnosti. Proto byla bakalářské práce zvolena v tomto směru. Tématem bakalářské práce je Model inteligentního domu. Práce v sobě zahrnuje několik oblastí z informačních technologií, zejména databáze, objektové programování a grafiku. Jedná se především o experiment, zda by navržené řešení bylo realizovatelné a přínosné do budoucnosti. Pokud by se řešení stalo přínosným, mohlo by se později stát součástí komplexnějšího softwarového (dále jen SW) řešení. 1.2 Cíl práce Cílem práce je návrh SW a hardwarové (dále jen HW) řešení monitorování a optimalizace vnitřního prostředí domu, který je reprezentován vytvořeným 3D modelem. Získané informace z navrženého HW řešení pro monitorování vybraných úloh budou využity v SW řešení pro simulaci řízení a optimalizaci vnitřního prostředí domu. 1.3 Stanovení dílčích cílů Pro dosažení cíle práce byl stanoven tento postup: nastudování potřebných informací pro zpracování tématu, výběr úloh k řešení (teplota a intenzita světla), výběr HW řešení pro monitorování teploty a intenzity světla, implementace SW modelu domu, implementace aplikace pro simulaci řízení a optimalizaci vnitřního prostředí, testování nasimulovaných dat z HW řešení na aplikaci.

9 2 LITERÁRNÍ REŠERŠE 9 2 Literární rešerše Téma bakalářské práce Model inteligentního domu se skládá z několika oblastí informačních technologií. Existuje velké množství literatury, která ovšem nemusí být vyhovující z důvodu pokročilosti dané problematiky. Některá literatura, zvláště u inteligentních domů, může být komerčního charakteru. Takový druh literatury by neměl být hlavním zdrojem pro práci, jelikož může poskytovat zkreslené informace. Později by však mohl být doplněn jako příklad pro řešení či aktuální stav problematiky. 2.1 Inteligentní dům Jako hlavní zdroj informací k této práci, zabývající se inteligentními domy, slouží stejnojmenná kniha (Valeš, 2008). Autor v této knize popularizuje danou problematiku a uvádí možnosti, které tyto systémy nabízejí. Kniha je zaměřena jak na stránku uživatelskou, tak částečně technickou. Na trhu je již druhé vydání této knihy obsahující souhrnné informace o dané problematice. 2.2 Získáni dat Část bakalářské práce se zabývá monitorováním vnitřního prostředí domu. K takové činnosti se používají zařízení nazvané senzory, které jsou zdrojem informací pro systém inteligentního domu. Pro tuto část byla vybrána publikace Senzory pro inteligentní budovy (Ripka a Daďo, 2009), která slouží jako studijní materiál na ČVUT pro obor Inteligentní budovy. Autoři již vydali několik publikací z oblasti zabývající se elektrotechnikou. Vzhledem k tématu bakalářské práce je tato literatura vhodná a dostačující. Publikace obsahuje jen úzký výběr různých druhů senzorů, které se vyskytují v takto navrženém domě. Zároveň jsou zde popsány principy jejich činností a použití. 2.3 Úloha k řešení Jednou z možností, co lze ve vnitřním prostředí domu zaznamenat pomocí senzorů nebo optimalizovat, jsou teploty jednotlivých místností. Tyto získané elementární hodnoty mohou sloužit pro daleko složitější výpočty, např. tepelných ztrát domácnosti. Důvodem vybrání literatury, Vytápění (Počinková a Treuová, 2011), byly kapitoly Výpočet tepelných ztrát a Tepelně-vlhkostní mikroklima a tepelná pohoda. Kapitola Výpočet tepelných ztrát obsahuje uvedení do problematiky a především způsoby výpočtů. V literatuře jsou tyto výpočty srozumitelně popsány, proto není potřeba hlubokých předchozích znalostí.

10 2.4 Modelování Modelování V práci bude model inteligentního domu vytvořen pomocí databáze PostgreSQL s nástavbou PostGIS, která je určena pro geografické objekty. Nejvíce ucelených informací o softwaru a práci s ním obsahuje kniha PostGIS in Action (Hsu a Obe, 2014), současně již ve druhém vydání. Z knihy budou využity především kapitoly tykající se základních prvků geometrie ze kterých bude vytvořen výsledný model. Dále poté kapitoly zabývající se prostorovými funkcemi. Tato informace bude použita pro výpočet tepelných ztrát. 2.5 Vizualizace a zobrazení informací Získané informace a vytvořený model musí být předány určitým srozumitelným způsobem uživateli. Řešením je uživatelské rozhraní, které lze vytvořit pomocí již dnes snadno dostupných bezplatných nástrojů. Jedním ze zástupců je multiplatformní knihovna Qt (Molkentin, 2007). Tato knihovna podporuje nejrozšířenější desktopové a mobilní platformy. Programy jako například Google Earth, Skype nebo webový prohlížeč Opera jsou založeny právě na Qt. V knihovně Qt bude vytvořena aplikace pro zobrazení získaných dat, řízení a optimalizaci vnitřního prostředí.

11 3 INTELIGENTNÍ DŮM 11 3 Inteligentní dům Pojmem inteligentní dům, lze označit jakoukoliv budovu vybavenou počítačovou a komunikační technikou, která dokáže automaticky reagovat na vnitřní anebo vnější podněty, a tím obyvatelům domu zjednodušovat běžné každodenní činnosti. Hlavním cílem takto navržené budovy je zvýšení bezpečí, pohodlí, úspor (snížení spotřeby energií, což má kladný dopad na ekologii) a v neposlední řadě i poskytnutí zábavy prostřednictvím různých zařízení umístěných v domě. Inteligentním domem může být označena jak budova vybavená běžným bezpečnostním kamerovým systémem se strukturovanou kabeláží, tak budova, která obsahuje nejnovější technologie. Proto, podle Valeše (2008), je potřeba tyto budovy od sebe odlišit a rozdělit je podle míry inteligence do pěti stupňů: 1. Obsahující inteligentní zařízení a systémy dům obsahující jednotlivá inteligentní zařízení a systémy pracující nezávisle na sobě. Za příklad může být uveden světelný senzor, který se zapne v případě pohybu a nedostatečného venkovního osvětlení. 2. Obsahující inteligentní komunikující zařízení a systémy dům s inteligentními zařízeními a systémy, které jsou schopny si poskytovat navzájem informace. Příkladem může být situace, kdy systém po uzamčení vchodových dveří aktivuje bezpečnostní alarm, vypne veškeré osvětlení, vypne elektrické zásuvky u domácích elektrospotřebičů a jiné činnosti. 3. Propojený dům jednotlivé zařízení a systémy domu jsou propojeny a zároveň je lze ovládat z domu i mimo něj vzdáleně. Pro znázornění vhodného příkladu může sloužit situace, kdy nějaká osoba neoprávněně vnikne do zabezpečené budovy. Pokud budova spadá do tohoto stupně, tak systém sám zavolá bezpečnostní složku, oznámí vniknutí vlastníkovi budovy a uzpůsobí tomu chování (zapne osvětlení, vytáhne rolety a jiné předdefinované činnosti). 4. Učící se dům dům zaznamenává obvyklé aktivity obyvatelů a z těchto nashromážděných dat se snaží předpovídat chování. Opakující se činnosti následně automatizuje. Zřejmým příkladem může být zapnutí vytápění či osvětlení domu v určitou dobu. Zpočátku je nutné tyto činnosti provádět manuálně, avšak po určité době budou vykonávány automaticky. 5. Pozorný dům poslední stupeň domu vychází z předchozího stupně s rozdílem, že nepracuje s historickými daty, ale s daty v reálném čase. V tomto stupni jsou často uplatněny senzory detekující pohyb a aktivitu obyvatelů domu. Na základě poskytnutých informací ze senzorů jsou jednotlivé prvky domu ovládány dle předvídaných potřeb. Jednotlivé stupně domů na sebe navazují a vyšší stupně zahrnují činnosti a schopnosti ze všech nižších. Momentálně běžně dostupné technologie pokrývají stupeň 1 až 3, vyšší stupně slouží prozatím jako výzkumné projekty. (Valeš, 2008)

12 3.1 Infrastruktura Infrastruktura Počítačovou síť, která systému umožňuje řízení inteligentního domu, tvoří aktory (spínače, stmívače atp.) 1, senzory (různé typy čidel) 2, centrální jednotka (obvykle v podobě standardizované skříně rack) a strukturovaná kabeláž. Dle způsobu propojení mezi systémovými prvky a centrální jednotkou strukturovanou kabeláží existují dva hlavní způsoby položení kabeláže: hvězda, sběrnice. Zapojení do hvězdy znamená, že veškerá kabeláž je od systémových prvků svedena do jediné centrální jednotky. U zapojení do sběrnice jsou jednotlivé systémové prvky zapojeny postupně za sebou, tzn. jeden kabel je veden mezi všemi částmi elektroinstalace. Každý z uvedených způsobů zapojení má své přínosy a nedostatky, proto se v praxi používá jejich kombinace (sdružené jednotky, do kterých se systémové prvky zapojují hvězdicově, jsou zapojené spolu s ostatními na sběrnici). (Valeš, 2008) Významnou roli pro řízení inteligentní domu mají senzory. Aby se dům choval co nejinteligentněji, tak je zapotřebí snímat různé fyzikální nebo i jiné veličiny, k čemuž slouží právě tato zařízení. Informace poskytované senzory řídicímu systému ovlivňují rozhodování o daných činnostech. V inteligentním domu se vyskytují především tyto uvedené kategorie senzorů: V řízení provozu domácnosti je zapotřebí, aby senzory sledovaly teplotu, vlhkost, proudění vzduchu, úroveň vody, únik plynu a jiné. Pro bezpečnost objektu se uplatňují senzory, které indikují přítomnost kouře, hořlavých plynů, zemětřesení, případně kontrolují teplotu nebo rozpoznávají obličej, otisky prstů či hlas osoby. Pro řízení spotřeby energie se používají senzory elektrického výkonu, napětí, proudu, průtoku vody a plynu, teploty, intenzity slunečního záření apod. (Ripka a Daďo, 2009) Existuje i varianta, kdy počítačová síť neobsahuje vůbec nebo jen minimálně strukturovanou kabeláž, tzv. bezdrátová síť. Ovšem tato varianta je pomalejší, méně spolehlivá a prozatím zpočátku finančně nákladnější. Bezdrátová síť je především vhodná pro již postavený dům, který je potřeba automatizovat, aniž by se musely provádět zednické práce. (Valeš, 2008) 1 Aktor (akční člen) je zařízení, které přijímá a vykonává zprávy od senzoru. 2 Senzor je zařízení, které vysílá zprávy např. o stisku tlačítka, pohybu osoby, teplotě atd.

13 3.2 Ovládaná zařízení Ovládaná zařízení Veškerá technika připojená na řídicí systém, který by měl poskytovat mimo jiné i uživatelské rozhraní, by měla mít možnost být odkudkoliv ovládána přes jakékoliv k tomu uzpůsobené zařízení. Za takové zařízení lze označit nejnovější technologie (chytré telefony, tablety apod.), TV, ovladače, dotykové panely nebo počítač a jiné. V ideálním případě by mělo být uživatelské rozhraní na těchto zařízení zobrazené ve stejné grafické podobě. (Valeš, 2008) Obývané místnosti Pojem obývané místnosti zahrnuje obývací pokoje, ložnice, pracovny, dětské pokoje a další. V těchto místnostech lze automatizovat vytápění, klimatizaci, ventilaci. U vytápění lze vzdáleně regulovat teplotu, nastavit čas zapnutí nebo vypnutí vytápění nebo zvolit určitý režim vytápění, který předešlé činnosti obstará za uživatele. Klimatizace zahrnuje veškeré možné úpravy vzduchu filtraci, ohřev, chlazení a jiné. Může zajišťovat i větrání. Oproti vytápění má klimatizace za úkol snížení tepelných zisků. Před nežádoucími tepelnými zisky do jisté míry také chrání stínící technika (rolety, markýzy, žaluzie a jiné), které jsou automaticky ovládány na základě venkovních podmínek. Dalším způsobem umožňujícím stínění je speciální sklo, které podle množství přiváděného elektrického proudu dokáže regulovat propustnost slunečního záření. Dalším možným automatizovaným prvkem domácnosti je osvětlení. Stejně jako u topení, lze jakékoliv světlo v domácnosti vzdáleně zapnout nebo vypnout, případně nastavit intenzitu světla. Intenzita také může být nastavena podle venkovních podmínek. U osvětlení je možnost světelných scén, tedy přednastavených světelných schémat. (Valeš, 2008) Kuchyně V kuchyni lze automatizovat vše uvedené v obývaných místnostech a navíc další zařízení. Mezi tato zařízení lze zařadit bílé spotřebiče. Možnost zapnutí kávovaru v daný čas, myčky, jiného spotřebiče nebo samostatné spínání zásuvek. Tato zařízení jsou k ovládání uzpůsobená, a nejedná se tedy o běžné dostupná zařízení. (Valeš, 2008) Koupelna V koupelně je možné ovládat kromě pračky nebo sušičky také vodu. Je možné zcela automaticky napustit vanu s požadovanou výškou hladiny a teplotou vody. Aby nedošlo k ochlazení vody, lze studenější vodu odvádět pryč a připouštět teplou. (Valeš, 2008) Ostatní Bezpečnostní systém lze automaticky aktivovat při zamčení vstupních dveří nebo

14 3.3 Plánovaný vývoj 14 použitím karty při odchodu z domácnosti. Tento systém je možné aktivovat pouze na určitá poschodí domu, například při zvolení nočního režimu zabezpečit přízemí a první patro nechat nezabezpečené. Další funkcí je zobrazení videa (případně i zvuku) z kamerového systému v přítomném čase na jakékoliv televizi nebo dotykovém panelu v domácnosti. Dnes je již samozřejmostí ovládaní garážových a vjezdových vrat. Jednou z možností, kromě dálkového ovládání, je také instalace bezkontaktní přístupové karty do auta. Vrata se po rozpoznání auta sama otevřou. Pokud je poštovní schránka vybavena senzorem, tak mohou být obyvatelé nemovitosti upozorněni na doručenou poštu. U domácnosti se zahradou lze na základě předpovědi počasí automaticky spouštět zavlažovací systém. (Valeš, 2008) U automatizovaného řízení by měla být možnost kdykoliv provést manuální zásah, který se zároveň zaznamená v uživatelském rozhraní. Do budoucna se počítá s ještě více zařízeními, které bude možné automatizovat. Inteligentní domácnost také dokáže simulovat přítomnost obyvatele. Smyslem simulace je vytvořit z venkovního pohledu zdání obydlené nemovitosti. (Valeš, 2008) 3.3 Plánovaný vývoj V západních zemích se podle statistických údajů staví více než 40 % nemovitostí s tzv. inteligentní domácností. V České republice se touto technologií může pochlubit pouze 2 % vlastníků, takto navržených nemovitostí. (Moderní byt, 2012) V současné době již existují SW řešení pro řízení inteligentního domu. Každé z nich ovšem vyžaduje své vlastní technické řešení. Toto řešení nemusí být s ostatními navzájem kompatibilní, což by se v budoucnu mělo změnit. Světoznámé společnosti (Intel, ABB, Cisco aj.) mají v úmyslu vyvinout SW platformu, která by umožnila různým zařízením a službám vzájemně komunikovat. Společnost Intel, výrobce polovodičových obvodů a jiných zařízení, slibuje jednodušší připojení dalších zařízení a především větší kompatibilitu. Systém bude programovatelný pomocí grafického rozhraní, vytvořeného pomocí technologie HTML 5. (Gorman, 2013) Dalším příkladem může být snaha o vytvoření konsorcia společností ABB, Bosch, Cisco a LG za účelem poskytnout SW platformu pro inteligentní domácnosti. Zmíněné společnosti, podle společné tiskové zprávy (2013), mají snahu o vytvoření otevřené platformy, která by umožňovala výměnu informací a jejich vzájemnou spolupráci mezi různými zařízeními a službami. Podle standardů, které chtějí zúčastněné strany vytvořit a zpřístupnit je všem výrobcům, budou tato zařízení připojená k domácí bráně, která bude následně připojena k internetu a SW platformě. Tímto způsobem bude zajištěna nezávislost různých služeb od různých poskytovatelů a jejich vzájemná spolupráce. Po vytvoření těchto otevřených standardů je dalším cílem

15 3.4 Dostupná SW řešení 15 pro konsorcium, aby mezi sebou kompatibilní zařízení komunikovala prostřednictvím rádiových sítí. (Bosch, 2013) 3.4 Dostupná SW řešení Reliance Reliance se řadí mezi profesionální software kategorie SCADA/HMI 3, určený pro monitorování a ovládání průmyslových technologií a automatizaci budov. Uplatňuje se v nejrůznějších oborech jako jsou například: plynárenství, čističky odpadních vod, dopravní zabezpečovací systémy, vizualizace a řízení inteligentních budov aj. Systém Reliance je tvořen softwarovými moduly, které zajišťují vizualizaci na zařízení koncového uživatele. Hlavní moduly systému jsou určeny pro operační systém Windows. Rozšířením o další moduly, které jsou založeny na technologiích HTML 5 nebo platformě Java, se docílí nezávislosti na operačním systému nebo webovém prohlížeči. Výslednou vizualizaci je tedy možné zobrazit na chytrých telefonech nebo tabletech s operačním systémem ios (Apple), Android (Google), Windows Phone (Microsoft), BlackBerry a rovněž také na počítači s operačním systémem Linux, Unix apod. Data získaná z řídicích systémů jsou ukládána do SQL databáze a prezentována uživateli v grafické podobě. Orientační cena softwaru se pohybuje podle rozsahu projektu. Pro svoji plnou funkci potřebují jednotlivé moduly licenci. Existují dva způsoby licencování. HW klíč je malé zařízení obsahující licenční informace. Zařízení se připojuje do portu (provedení LPT nebo USB). Takový způsob licencování je přenosný mezi počítači. Cena jednotlivých modulů se pohybuje v rozmezí přibližně Kč. SW klíč je speciální soubor obsahující licenční informace a informace o počítači. Licence je tedy vázána na určitý počítač, tzn. není přenositelná. Ceny jednotlivých modulů jsou tedy výrazně nižší než u HW klíče. Jednotlivé moduly lze pořídit v rozmezí Kč. Komunikační ovladače zajišťující přenos dat z technologických stanic do vizualizace a opačným směrem také vyžadují licenci. Cena licence záleží na typu zařízení (Modbus, Teco, Siemens apod.), pro které je ovladač určen. Cena se pohybuje v rozmezí od Kč. (Reliance, 2014) Freedomotic Freedomotic je open-source software pro automatizaci budov a domácností. Toto řešení podporuje technologie v oblasti automatizace budov jako jsou například KNX, Modbus RTU, nástroje pro převod textu na řeč, detekce pohybu pomocí IP kamer, integrace se sociálními sítěmi a jiné. 3 SCADA ( Supervisory Control And Data Acquisition ) je zkratka pro kontrolu řízení a sběr informací. SCADA není plnohodnotným řídicím systémem, ale software fungující nad ním. HMI ( Human Machine Interface ) označuje zkratku pro rozhraní mezi člověkem a strojem.

16 3.5 Cenová kalkulace 16 Freedomotic je založen na událostech. Díky tomu, že není předdefinované chování systému, jej lze plně konfigurovat a definovat automatizaci za běhu. Mezi jeho další přednosti patří otevřený zdrojový kód, který je důsledkem šíření pod licencí GNU GPLv2, modularita řešení, rozšiřitelnost a vícejazyčnost (software dostupný mimo jiné i v češtině). Freedomotic, napsaný v jazyce Java, obsahuje vrstvu HAL (Hardware Abstraction Layer), která pomocí událostí, spouštěčů a příkazů odděluje hardwarovou infrastrukturu, čímž je zapříčiněna jeho úplná nezávislost na operačním systému a hardwaru. Aktuálně je tento software dostupný jako beta verze. Cílem projektu je vytvořit platformu zaměřenou na datový mashup 4 a podporuje integraci různých technologií pro automatizaci budov a domácností, mobilních technologií, webu a sociálních sítí. (Freedomotic, 2014) 3.5 Cenová kalkulace Pro představu cenové náročnosti zhotovení inteligentního domu je vybrána cenová kalkulace systému inhome od společnosti Insight Home, a. s. Systém inhome je založen na americkém systému AMX. inhome se skládá z pěti oblastí: pro řízení zabezpečení, úspor, pohodlí, zábavy a ekologie. Tyto oblasti jsou na sobě nezávislé a dají se realizovat postupně anebo najednou. Instalace systému inhome je téměř bezdrátová. Orientační cena realizace pro byt 3+kk: Řídicí systém Kč Úsporná regulace topení Kč Ovládání žaluzií a světel Kč Bezdrátový zabezpečovací systém Kč Kamerový systém Kč Měření spotřeby energií Kč Multiroom (video a stereo souprava) Kč (Průcha, 2012) Cena elektroinstalace U elektroinstalace se nabízí dvě řešení: konvenční elektroinstalace Kč na m 2 systémová elektroinstalace Kč na m 2 4 Mashup je označení webové stránky nebo aplikace, která využívá obsah z více než jednoho zdroje pro vytvoření nové služby zobrazitelné v jednom grafickém rozhraní.

17 3.6 Úspora a spotřeba energie 17 Cena 1 m 2 je spočítána z nacenění bytu 3+kk s plochou 83,4 m 2. Jedná se o konečnou cenu (včetně montáže a dalších výdajů spojených s elektroinstalací). Z výše uvedených cen jednotlivých elektroinstalací lze zjistit cenový rozdíl mezi oběma řešeními. V tomto případě činí rozdíl 159 Kč na m 2. Obecně lze říci, že náklady na systémovou, neboli moderní elektroinstalaci, jsou zhruba o 20 % vyšší oproti konvenční (v konečné fázi se jedná o Kč). (Průcha, 2012) 3.6 Úspora a spotřeba energie Komponenty inteligentního domu, jako ovládací panely, mediální centra nebo centrální jednotka a jiné, jsou neustále zapnuté. Jedná se tedy o spotřebu energie, i když příkony jednotlivých zařízení jsou malé (například centrální jednotka má příkon okolo 4 W). Úspory, které jsou zajištěny automatizací domu, daleko převyšují spotřebovávanou energii na chod domu. Největší spotřeba energie v domácnosti se týká vytápění (72 % z celkové spotřebované energie). Díky efektivnímu řízení tepelných zdrojů mohou tyto úspory dosahovat až 30 %. (Průcha, 2012)

18 4 VNITŘNÍ PROSTŘEDÍ OBJEKTU 18 4 Vnitřní prostředí objektu Vnitřní prostředí (tzv. interní mikroklima) představuje jeden ze zásadních faktorů kvality budov. Interní mikroklima se výrazně podílí na stavu uživatele objektu (psychicky i fyzicky), jelikož zde tráví významnou část svého života. Vnitřní prostředí je závislé na aktuálních vnějších a vnitřních podmínkách, konstrukčním provedení objektu a provozu budov. (Rubinová, 2012) Vnitřní prostředí je tvořeno zejména složkami: Akustickou vytvořenou vnějšími a vnitřními zdroji hluku projevujícími se rušivým účinkem. Mezi zdroje vnitřního hluku patří například klimatizace. Světelnou reprezentující osvětlení v interiéru. Světelná složka ovlivňuje zrakové vnímání a přispívá k vytvoření celkové duševní pohody. Tepelně-vlhkostní obsahuje faktory jako je teplota, vlhkost a proudění vzduchu. Tyto faktory patří k nejdůležitějším pro zajištění kvalitního vnitřního prostředí. Aerosolovou představující prašnost (domovní prach), která je hlavní příčinou astmatu nebo jiných zdravotních komplikací. Toxickou tvořenou toxickými plyny (oxid uhelnatý CO, ozón O 3, smog apod.). Nejzávažnějším plynem v interiéru, jenž působí negativně na zdravotní stav člověka, je oxid uhelnatý CO. Odérovou ve vnitřním prostředí tvořenou plyny, tzv. odéry, v ovzduší. Tyto odéry jsou produkovány člověkem, respektive jeho činností, případně uvolňovány z nábytku, zařízení či stavební konstrukce a jiných. Uživatelé objektu vnímají odéry jako zápach nebo vůni. (Centrum pasivního domu, 2013) Mezi nejvýznamnější faktory ovlivňující kvalitu vnitřního prostředí patří zejména teplota a vlhkost vzduchu, světelná a akustická pohoda. Optimalizace a udržení vhodných podmínek vnitřního prostřední jsou úzce spojeny s provozem souvisejících systémů technických zařízení budov (tj. systémy vytápění, větrání, ochlazování, osvětlení). (Rubinová, 2012) 4.1 Nejvýznamnější faktory ovlivňující IM Světlo Osvětlení se dělí na tři typy, a to denní (přirozené), umělé a kombinované (kombinace předchozích typů). Přirozené denní osvětlení je pro člověka nejpříjemnější a nejlevnější, ovšem nelze zajistit jeho stálou intenzitu a barvu (změna ročních období, den a noc). Umělé osvětlení oproti přirozenému poskytuje stálost a rovnoměrnost zmíněných světelných vlastností.

19 4.1 Nejvýznamnější faktory ovlivňující IM 19 Obrázek 1: Složky tvořící kvalitu vnitřního prostředí a jejich podíl (Centrum pasivního domu, 2013) Hlavním ukazatelem osvětlení je jeho intenzita, která vyjadřuje velikost světelného toku (jednotka lumen) dopadajícího na plochu o obsahu 1 m 2. Jednotkou intenzity je lux (značka lx). Každá místnost v domácnosti má jiné požadavky na intenzitu umělého osvětlení. Tyto požadavky se odvíjejí od typu místnosti (obývající pokoj, kuchyně aj.) a především od činností, které zde uživatel vykonává. Cílem požadavků je dosažení světelné pohody. (Michalík, 2011) Tabulka 1: Vybrané nejnižší požadované hodnoty osvětlenosti (ČSN , 2004) Udržovaná osvětlenost (lx) Prostor 20 Domovní, méně frekventované komunikace 50 Celkové osvětlení obytné místnosti (doplněné místním světlem) 75 Komunikace v bytě 100 Obytné kuchyně, šatny, spíže 200 Koupelny, WC 300 Domácí dílny, místnost pro domácí práce, mandl 300 Kuchyňská pracovní linka, varná deska sporáku Obecně lze říci, že osvětlení v obývané místnosti musí mít minimálně hodnotu 300 lx. Je-li požadované nebo potřebné osvětlení o nižší hodnotě, postačí k jeho regulaci stmívač. (Elektro, 2010)

20 4.1 Nejvýznamnější faktory ovlivňující IM Teplota K přibližnému určení tepelného stavu prostředí v místnosti může sloužit teplota vzduchu. Optimální teplota pro místnosti, kde člověk odpočívá nebo vykonává jen velmi lehkou práci, je mezi C. Teplota vzduchu není stejná v celé místnosti, proto se pro výpočty různých úloh používá tzv. vnitřní výpočtová teplota. Hodnota této teploty se stanovuje průměrem mezi vnitřní teplotou vzduchu a průměrnou teplotou stěn, ohraničujících vytápěný prostor. Pro docílení tepelné pohody by neměl teplotní rozdíl přesahovat v místě hlavy a nohou stojícího člověka 2 C, pro sedícího 1,5 C. (Počinková a Treuová, 2011) Tabulka 2: Vnitřní výpočtová teplota v různých místnostech (Počinková a Treuová, 2011) Druhy vytápěné místnosti Výpočtová vnitřní teplota [ C] Obývací místnosti 20 Kuchyně 20 Koupelny 24 Klozety 20 Vytápěné vedlejší místnosti (předsíň, chodby, aj.) 15 Vytápěná schodiště Vlhkost Na vlhkost vzduchu vnitřního prostředí působí venkovní vlhkost, technologické nebo jiné zdroje a množství lidí v interiéru. Doporučené hodnoty relativní vlhkosti se pohybují v rozmezí %. Pro obývané místnosti jsou poté ideální hodnoty %. (Svoboda a Muzikář, 2013) Akustika Akustickou pohodu ve vnitřním prostředí ovlivňují vnitřní a vnější zdroje hluku. Hluk je negativní projev zvuku s rušivým účinkem na člověka. Tyto zdroje jsou eliminovány schopností konstrukce tlumit hluk. Nejlépe hluk tlumí masivní, hmotné konstrukce. Nicméně i dřevostavby při vhodně zvolené konstrukci dosahují srovnatelných výsledků. Pro hodnocení akustického stavu prostředí (vnějšího i vnitřního) slouží řada fyzikálních veličin. Základní veličiny představují hladiny akustického tlaku, výkonu a intenzity zvuku. Hraniční hodnoty akustického tlaku v obytných místnostech jsou < 25 db. (Centrum pasivního domu, 2013)

21 5 TEPELNÉ ZTRÁTY BUDOV 21 5 Tepelné ztráty budov Teplotní poměry v budovách jsou závislé na klimatických podmínkách a konstrukci budovy. V zimním období místnosti vykazují tepelnou ztrátu, kdy je teplo odváděno z místnosti do chladnějšího prostředí. Naopak v letním období místnosti vykazují tepelný zisk, který může být zapříčiněn slunečním zářením nebo teplotou vzduchu pronikajícím z vnějšího prostředí dovnitř budovy (případně místnosti). (Ostrý, 2010) Při výpočtu tepelných ztrát musí být zohledněny následující náležitosti: místo stavby, nadmořská výška, půdorysy jednotlivých podlaží s polohou a velikostí oken a dveří, způsob větrání domu nebo jeho částí, tepelně technické vlastnosti stavebních konstrukcí a výplní otvorů, účel jednotlivých místností, případně požadavky na jejich vnitřní teplotu, jiné. 5.1 Předběžný výpočet tepelných ztrát Předběžným výpočtem tepelných ztrát se určí množství potřebné energie pro vytápění celého objektu. Pro tento výpočet slouží několik metod. Pro příklad může být uvedena takzvaná obálková metoda. Prvním krokem předběžného výpočtu ztrát je určení konstrukcí, které tvoří tzv. obálku budovy. Jedná se především o obvodové zdi budovy k exteriéru, zemině a nevytápěným plochám. Při tomto způsobu výpočtu se zohledňují i výplně otvorů jako jsou okna a dveře. Obecný vztah pro výpočet tepelné ztráty jedné konstrukce se stejnou hodnotou součinitele prostupu tepla U je dán: kde je: Q T i = U A (t i t e, i )[W ] U součinitel prostupu tepla [W m 2 K 1 ]; A plocha konstrukce [m 2 ]; t i výpočtová vnitřní teplota [ C]; t e, i výpočtová venkovní teplota nebo teplota sousedního prostoru [ C]. 5.2 Přesný výpočet tepelných ztrát Přesný výpočet tepelných ztrát slouží pro návrh otopných těles. Výpočet je tvořen pro každou místnost zvlášť. Součet jednotlivých výpočtů tvoří celkovou přesnou tepelnou ztrátu objektu. (Počinková a Treuová, 2011)

22 6 SOFTWARE PRO MODELOVÁNÍ DOMŮ 22 6 Software pro modelování domů Pro modelování obecně existuje celá řada programů. Téma bakalářské práce ovšem vyžaduje specializovaný program přímo pro modelování domu či bytu. Součástí takového programu často bývá i návrh interiéru. 6.1 SketchUp Make SketchUp Make (dříve Google SketchUp) je jednoduchý 3D modelovací nástroj budov nebo jiných objektů vyvíjen společností Trimble. Program umožňuje nejen vytvářet objekty a texturovat jejich povrchy, ale především je geograficky umisťovat prostřednictvím Google Earth (produkt obsahující mapové podklady). Součástí programu je nástroj 3D Warehouse, kde jsou volně ke stažení již vytvořené modely. Program nabízí virtuální prohlídku (v tomto případě se jedná spíše o animaci). Výsledkem animace je video ve formátu.avi. Vstupní formáty pro SketchUp Make jsou.skp,.3ds,.dem,.ddf,.jpg,.png,.bmp,.tif a.tga. Program je dostupný ve dvou verzích. Bezplatná SketchUp Make pro domácí nebo osobní použití a placená SketchUp Pro pro komerční účely. Za verzi SketchUp Pro 2013 zaplatí uživatel kolem Kč. Omezení bezplatné verze oproti komerční spočívá v redukovaném množství výstupních formátů, chybějícímu nástroji Style Builder (tvorba vlastního stylu pro skicování hran modelu) a LayOut (tvorba 2D prezentace modelů). Tabulka 3: Porovnání podporovaných formátů verzí SketchUP (SketchUp, 2013) Grafické zpracování SketchUP Make SketchUP Pro 3D Model.dea,.kmz.dea,.kmz,.3ds,.dwg,.dxf,.fbx,.dea,.obj,.xsi,.wrl 2D Model..bmp,.png,.jpg,.tiff.bmp,.png,.jpg,.tiff,.pdf,.eps,.epx,.dwg,.dxf Videa.avi.avi,.mp4,.webm Za přednost lze považovat propojení s ostatními produkty společnosti Google, čímž se odlišuje od ostatních typově podobných programů. V programu je také možné využít výukových videí základních funkcí a činností programu. Nevýhodou je existence programu pouze pro platformu Windows a Mac OS, nevěrohodná 3D grafika v porovnání s realitou, absence české lokalizace. (SketchUp, 2013)

23 6.2 CityGML CityGML CityGML (City Geography Markup Language) je otevřený datový, na XML založený, formát vycházející z jazyka GML (Geography Markup Language). Tento formát není zaměřen pouze na vizualizaci (3D model měst), ale slouží také pro ukládání, výměnu dat a jako vstup do analýz, ve kterých je kombinován s dalšími daty. Dále zahrnuje topologické, sémantické a atributové informace. (Vaverka, 2011) Modelování Podstatou sémantického modelování je propojení hierarchických geometrických struktur se sémantickými. Každému sémantickému prvku (např. BuildingPart, Window), ze kterých je model složen, odpovídá určitá geometrie, např. Solid, Polygon. Základní sémantické třídy jsou budovy, model terénu, hydrografie, land use, vegetace a dopravní objekty. (Vaverka, 2011) Reprezentace objektů V rámci CityGML je reprezentace objektů realizována pěti úrovněmi detailu (LOD). Zvyšující se úroveň detailu obsahuje složitější a více početné geometrické prvky. Součástí jednoho modelu domu mohou být zároveň použity prvky z různých úrovní. Jeden konkrétní objekt může mít v každé úrovni detailu odlišnou reprezentaci. (Vaverka, 2011) Obrázek 2: Pět úrovní detailů (LOD) definovaných CityGML (Vaverka, 2011)

24 6.3 PostGIS Textury Textury a informace o vzhledu povrchů nejsou použity pouze z vizualizačního hlediska, ale lze je uplatnit i v některých analýzách. CityGML podporuje tzv. multitexturing, který umožňuje existenci více možností vzhledu pro jeden objekt. Vzhled může být ve formě rastrových snímků, ale také definovaných materiálů. Největší výhodou CityGML je jeho rozšiřitelnost a integrace dat a informací různého charakteru. (Vaverka, 2011) 6.3 PostGIS PostGIS je bezplatná open-source prostorová (FOSS) knihovna, která umožňuje bezplatný a open-source systém řízení (managementu) objektově-relační PostgreSQL databáze (ORDBMS). Zároveň je PostGIS projektem spadající pod záštitu OSGeo (Open Source Geospatila Foundation), která má za cíl podporu a prosazování geoinformačních nástrojů a dat Rozšiřující funkce PostGIS poskytuje mnoho prostorových operátorů, funkcí nebo datových prostorových typů. Mezi poskytující funkce patří například: Funkce pro práci s GeoJSON a KML, které webovým aplikacím umožňují přímo komunikovat s PostGIS bez nutnosti přidávání serializujících schémat nebo překladů, Komplexní funkce pro zpracování, zjednodušení a dekonstrukci geometrie, 3D modelování a podporu topologie, Přes 150 operací pro práci s vektory a rastry a převod mezi zmíněnými způsoby ukládání grafiky. Prostorové datové typy mohou být zařazeny do skupin: geometrie, geografie, rastr a topologie. (Hsu a Obe, 2014) Alternativy Oracle Spatial Společnost Oracle první, kdo začal s prostorovou podporou. Spatial je pouze dostupná v edici Enterprise. Standardní instalace Oracle nabízí Oracle Locator, který

25 6.3 PostGIS 25 umožňuje základní typy geometrie, omezenou sadu procedur a funkcí databáze Spatial. (Hsu a Obe, 2014) Microsoft SQL Server Microsoft představil prostorovou podporu v databázovém systému SQL Serveru 2008 v podobě vestavěných geometrických a geografických datových typů a prostorových funkcí. (Hsu a Obe, 2014)

26 7 NÁVRH HW ŘEŠENÍ 26 7 Návrh HW řešení 7.1 Výběr teplotního senzoru Teplotní senzor (teploměr) byl vybrán na základě vypracovaného přehledu v tabulce č. 7 přílohy A. Kritériem při výběru vhodného teploměru pro tuto práci bylo komunikační rozhraní, po kterém je teplota přenášena, a pořizovací cena. Komunikační rozhraní určuje možný počet připojených zařízení a maximální vzdálenost určenou pro komunikaci. Měřící rozsah teploměru nebylo při výběru potřeba zohledňovat. Předpokládá se, že měřící zařízení bude vystaveno běžným pokojovým nebo venkovním teplotám (teploty mírného klimatického pásma), které tento rozsah nepřekročí. Jelikož bude potřeba připojit více než jedeno teplotní zařízení (alespoň dvě venkovní a vnitřní) s dostatečnou vzdáleností od sebe (senzory budou rozmístěné různě po domácnosti), nelze brát v potaz senzory komunikující přes USB a RS-232, i když jsou tyto typy měřících zařízení cenově nejvýhodnější. Senzory komunikující přes počítačovou síť jsou naopak drahé. Z uvedených důvodu bylo vybráno teplotní čidlo TQS3 s komunikačním rozhraním RS-485, které požadovaná kritéria splňuje TQS3 Teploměr TQS3 se uplatňuje především v domácí automatizaci, měření a regulaci v průmyslu nebo jako součást rozsáhlých teplotních měřících systémů. Pro práci je nutné použít TQS3 ve venkovním provedení (označené jako TQS3 O), které lze na rozdíl od vnitřního provedení (TQS3 I) vystavit působení vody a povětrnostním vlivům. Obrázek 3: Příklad propojení senzorů TQS3 na jedné sběrnici RS-485 a připojení k PC (Papouch s.r.o., 2013) Jednotlivá měřící zařízení jsou vzájemně propojena (výrobcem doporučen kabel TP pro počítačovou síť) průmyslovou sběrnicí RS-485 a následně připojena k počítači nebo programovatelnému automatu. Teploměr TQS3 má velmi malou spotřebu (0,46 W), díky níž je tedy možné zároveň se sběrnicí vést i napájení. Před instalací je každému senzoru softwarově nastavena rozdílná adresa.

27 7.2 Výběr senzoru intenzity světla 27 Pro převod sběrnice RS-485 na jiné rozhraní je zapotřebí použití jednoho z níže uvedených převodníků: TC485 - převodník na rozhraní RS-232, SB485 - převodník na rozhraní USB, Gnome převodník na Ethernet. TQS3 naměřenou hodnotu zasílá přímo ve stupních Celsia. Teploměr komunikuje po sběrnici RS-485 standardizovanými protokoly Spinel nebo Modbus RTU. (Papouch s.r.o., 2013) Čtení hodnot ze senzoru Hodnota představující aktuální teplotu je uložená ve vstupním registru (Tabulka 4). Pro získání uložené hodnoty v registru slouží funkce modbus_read_register(), která používá kód funkce Modbus 0x03 (read holding registers). modbus_read_registers(ctx, 0x04, 1, tab_reg) kde dané parametry funce znamenají: ctx struktura s potřebnými informacemi určena pro navázání spojení, 0x04 adresa zařízení, 1 obsah holding registers, ze kterého se bude číst, tab_reg proměnná pro uložení výsledku čtení. Výslednou hodnotu je nutné podělit číslem deset (teplota = hodnota / 10), abychom dostali skutečnou naměřenou teplotu ve stupních Celsia. Tabulka 4: Vstupní registr teploměru TQS3 (Papouch s.r.o., 2013) Adresa Přístup Funkce Název 0 čtení 0x04 Status teploty 1 čtení 0x04 Aktuální teplota 7.2 Výběr senzoru intenzity světla Důležitým hlediskem při výběru senzoru snímajícího intenzitu osvětlení (kromě ceny a komunikačního rozhraní) byl měřící rozsah, od kterého se odvíjí provedení senzoru (venkovní nebo vnitřní). Denní osvětlení disponuje intenzitou až v řádech desítek tisíců luxů.

28 7.3 Detektory P21M Senzor P21M je určen pro snímání intenzity osvětlení venkovního prostředí. Na základě poskytnutých naměřených údajů, které jsou vyhodnoceny procesorem a vyslány nadřazenému systému, může být například automaticky spínané osvětlení. Komunikace s nadřazeným systémem probíhá prostřednictvím průmyslové sběrnice RS-485 a protokolem Modbus RTU. (Regmet, 2013) Tabulka 5: Základní technické parametry P21M (Regmet, 2013) Udržovaná osvětlenost (lx) Napájecí napětí Proudový odběr Použitý fotosnímač Spektrální citlivost Prostor 12 až 30 VDC max. 20 ma BPW až 820 nm Teplota okolní hlavice -30 až 50 [ C] Měřící rozsah pro jednotkové zesílení 0 lx lx = Komunikace RS-485, protokol Modbus RTU Cena Kč Obrázek 4: Senzor intenzity osvětlení P21M (Regmet, 2013) Čtení hodnot ze senzoru Zařízení, stejně jako výše zmíněný teploměr, pracuje s protokolem Modbus. Lze tedy stejným způsobem přečíst změřenou hodnotu. Hodnota může být uvedena v příslušné jednotce nebo v procentech, přičemž záleží na zadané adrese zařízení. 7.3 Detektory K zjištění manipulace s okny (dveřmi) byl navrhnut drátový magnetický detektor (např. JA-80M (Jablotron), WDM01 (Ampertech) a jiné). Elektronika detektoru je

29 7.4 Akční člen 29 montována na pevnou část okna (dveří) a magnet na pohyblivou část. Detektor reaguje na oddálení magnetu (vzdálenost v řádech až několika cm). Detektor může být zapojen přímo do řídicí jednotky nebo přes modul digitálních vstupů, který slouží pro zjišťování přítomnosti napětí nebo sepnutí kontaktu. Cena jednoho detektoru v drátovém provedení se pohybuje přibližně Kč, v bezdrátovém provedení Kč. 7.4 Akční člen RM202 Modul RM202 umožňuje řízení dvou světelných okruhů (funkce stmívače) nebo jedné žaluzie (při využití tlačítkové nebo vypínačové logiky). Vysokou spolehlivost modulu zajišťuje nezávislost na řídicím systému. Uživatel může ovládat připojená zařízení místními tlačítky i bez komunikace s řídicím systémem. Komunikace s řídicím systémem probíhá přes linku RS-485, na kterou se moduly zapojují průchozím způsobem (nikoliv odbočkou nebo do hvězdy). (Yatun, 2012) Tabulka 6: Základní technické parametry RM202 (Yatun, 2012) Napájecí napětí Pracovní teplota 0 až 70 [ C] Počet výstupů (relé) 2 Zatížení relé Životnost kontaktů Sběrnice Rozměry Cena 12 až 35 V ss / 12 až 24 V st, max mva 230 V st, max. 5 A, ohmická zátěž > 10 5 cyklů RS-485, galv. oddělená, pbs mm Kč Řízení RM202 Po připojení napájení jsou výstupy nastaveny na předem definované hodnoty a jejich reakce poté záleží na zvolené konfiguraci modulu. Výstupy mohou reagovat buď na akce vstupů (například změna stavu vstupu) a nebo jsou řízeny povely po sběrnici. Případná je možnost kombinace zmíněných událostí, kde lze nastavit prioritu. (Yatun, 2012)

30 8 NÁVRH SW ŘEŠENÍ 30 8 Návrh SW řešení 8.1 Databáze Databáze je vytvořena v objektově-relačním databázovém systému PostgreSQL. Obrázek 5: Databáze vytvořená v programu MySQL Workbench domacnosti Tabulka domacnosti označuje rodinný dům nebo jednu bytovou jednotku v panelovém domě. obce Od obce, ve které se domácnost nachází, se odvíjí venkovní výpočtová teplota (v tabulce atribut venkovni_vypoctova_teplota). Hodnota zmíněného atributu je důležitá pro výpočet tepelných ztrát a následné určení energetické náročnosti domu. Součástí tabulky obce jsou i další atributy (např. nadmořská výška), které slouží jako doplňující informace o dané obci. psc_obce Dekompoziční tabulka psc_obce slouží pro dodržení normálních forem. Jedné obci

31 8.1 Databáze 31 může náležet více směrovacích čísel (například Brnu patří , a jiné) a zároveň jedno směrovací číslo může náležet více obcím (především se jedná o vesnice a přilehlé území). psc Číselník poštovních směrovacích čísel. objekty Do tabulky objekty jsou vkládány veškeré předměty, ze kterých je domácnost složena jako například stěna, dveře, střecha, podlaha, okno nebo strop. Součástí tabulky jsou i interiérové předměty světlo a topení. typy_objektu Číselník typy_objektu obsahuje typy, které mohou být přiřazeny jednotlivým objektům. V tabulce jsou uvedené názvy (unikátní klíč) a součinitele prostupu tepla (součinitel tepelné vodivosti). stavy_objektu Většina objektů domácnosti má určitý stav, tento údaj je uložen v tabulce stavy_objektu. Veškeré změny ve stavu objektu jsou uloženy jako nový záznam. Stav je číselný údaj reálného typu, který vyhovuje všem objektům a také je vždy jednoznačná jeho hodnota. Hodnota nula značí vypnuté topení, osvětlení nebo zavřené dveře, okno. Objekt s číslem stavu jedna má opačný význam. Jakákoliv jiná hodnota vyšší než jedna určuje již konkrétní nastavenou hodnotu (teplotu u topení nebo intenzitu u osvětlení). Objekty domácnosti, které nemají žádný stav (stěna, podlaha a jiné) jsou vloženy s hodnotou NULL. mereni V tabulce mereni jsou vloženy záznamy o jednotlivých měřeních různých typů senzorů. Záznam obsahuje hodnotu změřené veličiny, čas a datum měření a identifikační číslo domácnosti, kde bylo měření provedeno. stavy_objektu_mereni Tabulka stavy_objektu_mereni má význam pro ukládání jednotlivých stavů objektů dané domácnosti (identifikátorů z tabulky stavy_objektu), kde je provedeno měření. Vložení záznamu do tabulky mereni způsobí spuštění triggeru, který k identifikátoru měření uloží poslední zaznamenaný identifikátor stavu všech objektů domácnosti se stavem jedna a větším. Z této tabulky lze vyčíst případné příčiny výkyvů hodnot při měření nebo náhlé změny naměřených hodnot.

32 8.2 Implementace domu 32 meridla Jednotlivé senzory umístěné v domácnosti, které provádí měření, jsou uloženy v tabulce meridla. Atribut umístění značí geografickou polohu zařízení. typy_meridla Význam tabulky typy_meridla má obdobný vztah pro tabulku meridla jako vztah mezi tabulkami objekty a typy_objektu. Jedná se tedy o číselník udávající kategorii měřidla (teploměr, vlhkoměr apod.) s příslušnou jednotkou. 8.2 Implementace domu Dům je implementován v databázovém systému s nástavbou pro geografické objekty PostGIS. Právě zmíněné rozšíření umožňuje modelování pomocí geometrických útvarů a prostorové funkce, což s prostou relační databází není možné. Jedná se o smyšlený dům obdélníkového tvaru (rozměry 6 5 m), obsahující dvě okna a dveře. Jednotlivé objekty domu jsou tvořeny následujícími geometrickými útvary: stěny, střecha, podlaha POLYGONZ, dveře, okna POLYGONZ, topení POLYGONZ, osvětlení POINTZ. Písmeno Z na konci značí, že se jedná o 3D geometrický útvar. K souřadnicím X a Y je přidána informace o výšce. Obrázek 6: Ukázka 3D modelu domu vytvořeného v programu SketchUP Make Ukázka vložení objektu do databáze Pro ukázku vložení objektu do databáze je vybrána čelní stěna domu (stěna s oknem a dveřmi).

33 8.3 Aplikace 33 INSERT INTO public.objekty (id_typy_objektu,umisteni,id_domacnosti) VALUES (2,ST_GeomFromText('POLYGONZ(( , , , , ))', ),1); Prvním parametrem je typ objektu, v tomto případě se jedná o venkovní stěnu (přesněji stěna - cihlová venkovní ), jejímž identifikátorem je číslo 2 v tabulce typy_objektu. Tato stěna spolu s dalšími tvoří obvod domu. Dalším parametrem je funkce ST_GeomFromText(), která slouží pro prostorové určení bodových prvků. Funkce má maximálně dva parametry. První určuje o jaký geometrický útvar se jedná (bod, linie, polygon) a obsahuje řetězec souřadnic. U stěny se jedná o polygon ve formě obdélníku, tvořený 5 body. Poslední bod má stejné souřadnice jako první. Funkce ukládá geometrický útvar do databáze v binární podobě, která je charakterizovaná jako WKT (Well-Know Text). Druhý a zároveň poslední parametr funkce ST_GeomFromText() je volitelný a obsahuje SRID 5. Poslední parametr označuje identifikační číslo domácnosti, které vkládaný objekt náleží. 8.3 Aplikace Vzhled Aplikace je tvořena sadou prvků uživatelského rozhraní, takzvaných widgetů. Níže jsou popsány funkce nejčastěji použitých nástrojů. QLabel widget se používá pro zobrazení textu nebo obrázku. Tento prvek nepodporuje funkci interakce s uživatelem. V aplikaci je především použit pro popis dalších prvků nebo vyobrazení aktuálního času a data. V prvku uživatelského rozhraní QLcdNumber lze zobrazit číslo v téměř libovolném rozsahu a standardních číselných soustavách (desítkové, šestnáctkové a další). QLcdNumber zobrazuje v aplikaci aktuální nastavené nebo naměřené hodnoty veličin. QTextEdit může obsahovat obrázky, tabulky a je optimalizován pro zpracování velkých dokumentů. Pokud je text příliš dlouhý, zobrazí se posuvníky. QTextEdit byl vybrán kvůli těmto vlastnostem, mimo jiné jelikož v průběhu aplikace je nutné zobrazovat velké množství jednotlivých řádků textu. Rozvíjející se nabídka reprezentována prvkem QComboBox je kombinací tlačítka a okna seznamu. Poskytuje tak uživateli seznam možností, aniž by bylo zabráno velké množství místa na obrazovce. Nejčastěji používaným prvkem jakéhokoliv graficky uživatelského rozhraní je tlačítko, tzv. QPushButton. Stisk tlačítka slouží pro provedení nějaké akce. V apli- 5 SRID značí číslo charakterizující souřadnicový systém (souřadnicový systém S-JTSK je určen ESRI kódem nebo EPSG kódem 5514).

34 8.3 Aplikace 34 Obrázek 7: Popis widgetů tvořících aplikaci kaci mají tlačítka význam pro manipulaci s jednotlivými objekty (topení, osvětlení a jiné). Grafický prvek QTabWidget má význam kategorizace. Jednotlivé záložky označují, které prvky domácnosti v sobě zahrnují (například záložka Osvětlení obsahuje světelné prvky). QTabWidget slouží k zpřehlednění aplikace Funkcionalita Úvodním krokem aplikace pro správné nastavení a zobrazení jednotlivých hodnot je navázání komunikace s databází. Vytvoření a otevření připojení zajišťuje funkce createconnection(), která obsahuje níže uvedené parametry spojení. m_db = QSqlDatabase : : adddatabase ( QPSQL ) ; m_db. sethostname ( ) ; m_db. setdatabasename ( g i s ) ; m_db. setusername ( xkorolk1 ) ; m_db. setpassword ( ***** ) ; m_connsucc = m_db. open ( ) ; Parametrem statické funkce adddatabase() je datový typ QString, udávající typ ovladače, který značí o jaký druh databáze se jedná (QPSQL znamená PostgreSQL ovladač). Dále je nutné nastavit pro správné spojení další parametry jméno hostitele, databáze, uživatele a heslo. Hostitelem při tvorbě práce byl právě používaný počítač, tedy localhost, proto byl u nastavení parametru IP adresa ve tvaru V případě existujícího připojení je databáze otevřena a aplikací zpřístupněna manipulace s jednotlivými objekty domácnosti. Po připojení jsou provedena měření veličin (venkovní intenzity světla a teploty). Následně jsou tato měření automaticky prováděna v určitých časových intervalech. Hodnota měření venkovní teploty je do databáze ukládáno každou hodinu (vždy

35 8.3 Aplikace 35 Obrázek 8: Ukázka úvodního vzhledu aplikace v celou). Hodnota intenzity venkovního osvětlení je ukládána každých 15 minut od zapnutí vnitřního osvětlení, až po vypnutí veškerého osvětlení v domácnosti. Obrázek 9: Ukázka vzhledu aplikace Objekty domácnosti jsou kategorizovány do jednotlivých záložek. Aktuální nastavení objektu je získáno pomocí třídy QSqlQuery. Tato třída poskytuje rozhraní pro provádění a manipulaci s SQL příkazy. Může být použita pro spuštění DML 6 a dokonce i DDL 7 (není v práci použito). 6 Data Manipulation Language zahrnuje příkazy jako jsou SELECT, INSERT, UPDATE, DE- LETE 7 Data Definition Language je sada příkazů sloužících pro práci se strukturami databázových objektů, například CREATE, DROP a ALTER.

36 8.3 Aplikace 36 Pro názorný příklad použití je uvedeno získání aktuálního stavu topení: QSqlQuery query (m_db); query.exec("select stav FROM stavy_objektu WHERE id_objekty = "+getchangetypeid(getid())+" ORDER BY datum DESC, cas DESC LIMIT 1"); while(query.next()){ state = query.value(0).tofloat(); } Parametrem QSqlQuery konstruktoru je objekt QSqlDatabase, který upřesňuje spojení k databázi. Pokud objekt není uveden, je použito výchozí spojení. Funkce exec() spouští příkaz uvedený v závorkách. Pokud dojde k chybě, exec() vrátí hodnotu false. QSqlQuery poskytuje přístup k výsledkům vrácených databází po zavolání funkce exec(). Pro procházení jednotlivých řádků výsledků je použita funkce next(), která přesune ukazatel na další řádek výsledku. Data z platného řádku lze získat pomocí funkce value(), která vrací QVariant. Tedy typ, který může obsahovat různé C++ nebo Qt základní datové typy (int, float, QString apod.). Pomocí funkce tofloat() jsou data převedena na datový typ reálného čísla. Parametr funkce value(), který je číslován od nuly, značí index sloupce výsledku. Z výše uvedeného příkazu lze zjistit stav topení (zapnuto nebo vypnuto) a v případě zapnutého topení i poslední nastavenou hodnotu (v případě světla intenzitu). Záložky obsahují rozvíjející se nabídku, kde je možné si zvolit, pro jakou místnost mají být příslušné údaje zobrazeny. V případě celkového zobrazení, zvolení položky Všechny, jsou zobrazeny pouze stavy objektů dané kategorie, nacházejících se v celé domácnosti, pod sebou. Podrobnější informace jsou získány při výběru konkrétní místnosti (například u karty Topení je uvedena nastavená teplota a možnost její změny). Aplikace disponuje určitým omezením při jejím ovládání, které zamezují chybovosti uživatele nebo nejednoznačnosti: Jeden stav objektu v případě zvolení stavu se stane tlačítko nedostupné, nelze tedy zvolit stejný stav vícekrát po sobě. Zobrazení hodnoty hodnota je zobrazena pouze v případě zapnutého/otevřeného objektu. V opačném případě není uvedena žádná hodnota. Nastavení hodnoty hodnotu veličiny lze změnit pomocí tlačítka Upravit. Pokud je u objektu změněn stav z vypnutého na zapnutý, je nastavena automaticky poslední uložená nenulová hodnota v databázi. Změna nastavené hodnoty v režimu nastavení hodnoty nelze změnit stav objektu. Stavy jsou zpřístupněny až po uložení nastavené hodnoty. Hodnota je

37 8.3 Aplikace 37 zaznamenána jako nový údaj v databázi pouze pokud má jinou hodnotu než původní. Veškerá činnost provedená uživatelem je během provozu aplikace s aktuálním časem zobrazena ve spodní části aplikace (v prvku QTextEdit). Text popisující provedené činnosti je řazen sestupně dle času. Případná změna nastavení u objektů se zároveň zaznamenává do databáze jako nový údaj. Aktuální čas, umístěný v pravém horním rohu hlavního okna aplikace (prvek QLabel), je řízen systémovými hodinami. Aplikace umožňuje uživateli ovládat prvky uvnitř domácnosti jako jsou topení, světlo a zobrazovat momentální stav dveří a oken. Dále poskytuje informace o venkovní a vnitřní teplotě, intenzitě světla a tepelné ztrátě domácnosti Další funkce Aplikace nemá pouze funkci řídící a optimalizační, ale také informační. Kromě poskytování informací o různých teplotách a intenzitě, je do aplikace začleněna i úloha pro výpočet tepelných ztrát domácnosti. Tepelná ztráta domu Hodnota tepelné ztráty domácnosti je spočítána přes SQL procedurální jazyk PL/pgSQL funkce. Pro výpočet je zvolena tzv. obálková metoda. Výpočet je určen pouze pro domácnosti s půdorysem ve tvaru obdélníku nebo čtverce. Jiné tvary, nejsou povoleny z důvodu obtížného získání potřebné plochy pro výpočet. Do konečného výsledku jsou zahrnuty tepelné ztráty obvodových stěn domácnosti, podlahy, stropu a výplně otvorů (oken, dveří). Eventuální místnost (podkroví), umístěná nad stropem, je brána jako neobývaný, tudíž nevytápěný, prostor. Dílčí funkce, které počítají jednotlivé tepelné ztráty, se skládají z podobných příkazů. Pro představivost je uvedena funkce pro výpočet tepelné ztráty podlahy: CREATE FUNCTION tep_ztrata_podlahy (p_id_domacnosti IN INT) RETURNS real AS ' DECLARE v_plocha real; v_soucinitel real; v_rozdil_teplot real; v_tep_ztrata real; BEGIN v_plocha := (SELECT plocha_domacnosti(p_id_domacnosti)); v_soucinitel := (SELECT soucinitel_objektu(''podlaha - beton'')); v_rozdil_teplot := ((vnitrni_vypoct_teplota ()) - (venkovni_vypoct_teplota(p_id_domacnosti))); v_tep_ztrata := (v_plocha * v_soucinitel * v_rozdil_teplot); RETURN v_tep_ztrata;

38 8.3 Aplikace 38 END; ' LANGUAGE plpgsql; Jediným vstupním parametrem funkce tep_ztrata_podlahy() je identifikační číslo domácnosti, pro kterou se výpočet provádí. Pro přehlednost kódu jsou výsledky volaných funkcí uloženy do odpovídajících proměnných. Pro výpočet plochy domácnosti slouží funkce plocha_domacnosti(). Plocha domácnosti je vždy ohraničena venkovními stěnami. Porovnává se vzdálenost jednotlivých stěn. Za předpokladu, že je půdorys domácnosti čtverec nebo obdélník, má každá stěna pouze jednu nenulovou vzdálenost, která značí protilehlou stěnu. Po skončení cyklu, kdy jsou všechny stěny porovnány, lze po vynásobení nenulových hodnot získat plochu domácnosti. Funkce je naprogramována tak, aby bylo zapotřebí pouze minimálního množství vstupních parametrů. Hodnota, kterou vrací funkce soucinitel_objektu(), je dána na základě vstupního parametru. Podle zadaného řetězce, který značí název objektu v tabulce typy_objektu, je dohledána hodnota součinitele a uložena do proměnné v_soucinitel. Obdobným způsobem je získána venkovni_vypoct_teplota(), která závisí na obci, ve které se domácnost nachází (přehled vybraných měst uveden v příloze C na straně 51). Průměrná návrhová vnitřní teplota ve vytápěném prostoru, podle Počinkové, bývá u rodinných domů obvykle C. Z tohoto důvodu funkce vnitrni_vypoct_teplota() vrací vždy přednastavenou hodnotu 20 C. Proměnná v_tep_ztrata, která je vracena jako návratová hodnota funkce, má podobu: v_tep_ztrata := (v_plocha * v_soucinitel * v_rozdil_teplot); Což odpovídá obecnému vzorci pro výpočet tepelné ztráty: Q T i = U A (t i t e, i ) Všechny funkce, týkající se tepelných ztrát, mají výslednou hodnotu v jednotkách W. Ve výpočtu celkové tepelné ztráty domácnosti není zohledněna tepelná ztráta větráním. Výsledná hodnota výpočtu tepelné ztráty objektu slouží pro stanovení roční potřeby tepla pro vytápění, která je jedním z kritérií při zařazení objektu do kategorie určující energetickou náročnost objektu.

39 9 ŘÍZENÍ A OPTIMALIZACE VNITŘNÍHO PROSTŘEDÍ 39 9 Řízení a optimalizace vnitřního prostředí 9.1 Řízení Aplikace vytváří rozhraní mezi zařízeními (senzory, aktory) a databází. Na základě poskytnutých informací z měření jednotlivých senzorů je aplikace schopna zasílat příkazy aktorům nebo provádět předdefinované chování (skupina několika příkazů). Zároveň jsou změny stavů objektů nebo informace získané ze senzorů zaznamenány do databáze. Obrázek 10: Schéma funkčnosti Aplikace je napsána v multiplatformní knihovně Qt. Pro komunikaci s databází jsou použity třídy QSqlDatabase a QSqlQuery, které nabízejí jednotné rozhraní pro dotazování prostřednictvím SQL příkazů, nezávislé na typu databáze. Komunikaci s jednotlivými zařízeními zajišťuje knihovna libmodbus, která pracuje s daty podle protokolu Modbus. Zmíněná knihovna zároveň podporuje sériovou (RTU) nebo ethernet (TCP) komunikaci. 9.2 Optimalizace vnitřního prostředí Optimalizaci vnitřního prostředí má na starost předem definované chování aplikace na základě výstupů získaných ze senzorů a aktuálních stavů objektů. Aplikace obsahuje funkci checkevents(), která je volána s každou aktualizací času (každou sekundu) a její obsah je proveden pouze za předpokladu, že je vytvořeno připojení s databází. Obsahem funkce jsou další, které tvoří předdefinované chování. Vypnutí radiátoru, funkce eventclosetemperature(), je provedeno v okamžiku, kdy je v dané místnosti otevřeno okno (případně okna) a zároveň je radiátor zapnutý. Toto chování má opět za následek ušetření spotřeby energie a případné snížení úniku tepla z domácnosti do vnějšího prostředí.