Domácí automatizace postavená na platformě Raspberry Pi
V předchozích článcích jsme psali o využití odpadního tepla z počítačů pro vytápění budovy a s tím související představení UniPi - rozšiřujícího modulu pro Raspberry Pi. Dnes bychom rádi představili konkrétní řešení domácí automatizace, postavené na platformě Raspberry Pi.
Naše společnost Faster spol. s.r.o. se mimo své hlavní činnosti (ISP a provoz datového centra) soustředí i na obor měření a regulace. Pro vlastní účely ovládání budovy datacentra byla vyvinuta a nasazena deska UniPi. Poptávka po tomto typu produktu a úspěch v kampani IndieGoGo posunul UniPi do komerční sféry. Začali jsme prodávat hardware, kterému se na komerčním poli daří, ale stále jsme přemýšleli, jakým směrem posunout produktovou řadu dále.
Produktová řada SMART
Řada SMART je série autonomních systémů pro ovládání jednotlivých sektorů budovy (domu, bytu…). Oproti samostatné desce UniPi, kde musí být koncový uživatel zdatný v IT, je řada SMART koncipována pro all-in-one krabicové řešení a nenáročnou instalaci. Každý produkt z řady SMART obsahuje:
- Kompletní set Raspberry Pi, UniPi a příslušenství, připravené na přichycení na instalační DIN lištu
- Přesný počet digitálních 1Wire teplotních senzorů pro danou instalaci. Bezproblémové rozšíření o požadovaný počet teploměrů je samozřejmostí
- Základní kabeláž, jednoduše rozšiřitelnou pro konkrétní instalaci
- Na míru optimalizovaný software postavený na řídícím systému REX
- Zdroj el. energie
Je tedy zřejmé, že produkty z řady SMART jsou navrženy pro kompletní instalaci bez dalšího nutného příslušenství - vše je již obsaženo v základním balení (Obr. 1.).
Obr. 1. Produktová řada SMART
Produkty v řadě SMART budou postupně přibývat, prozatím je v přípravě SMART heating.
SMART heating (chytrá kotelna)
Instalace upravená pro ovládání zařízení kotelny, tří- nebo čtyř-cestných ventilů. Díky možnosti připojení velkého množství digitálních 1Wire teploměrů lze takto získat plně funkční ekvitermní regulátor za cenu řádově nižší, než od renomovaných výrobců.
Specifikace produktu SMART heating:
Obr. 2. Rozšiřující relé modul pro základní desku UniPi
Počet ovládaných okruhů
Existuje jediné omezení počtu okruhů na jednu instalaci - počet spínacích prvků. Základní deskou UniPi lze ovládat čtyři okruhy, v případě potřeby více okruhů lze připojit přídavný modul s možností ovládání dalších čtyř až dvaceti okruhů podle počtu připojených rozšiřujících relé modulů (Obr. 2). V praxi lze dokupovat a instalovat teplotní čidla na okruhy podle potřeby. Teplotní čidlo venkovní teploty může být nahrazeno aktuální teplotou z webu např. Českého hydrometeorologického ústavu.
Počet zdrojů tepla
Jako zdroje tepla uvažujeme vše to, co ovlivňuje energetickou bilanci na straně dodávky tepla. Mohou zde být tepelná čerpadla, kotle na tuhá paliva, plyn, solární kolektory, přímotopné soustavy,výměníky tepla s externí dodávkou a akumulační nádoby. Ovládání zdrojů může probíhat v rámci spínání ON-OFF nebo analogovým signálem pro plynulou regulaci výkonu. V budoucnu předpokládáme komunikaci Opentherm pro využití komunikačního protokolu a získání zpětných informací o jednotlivých zdrojích.
Optimalizace zdrojů s ohledem na účinnost
Oceněním energie z jednotlivých zdrojů a jejich dostupnost povede k rozhodování o jejich aktuálním nasazení z pohledu naplnění potřeb na dodanou energii. Jedním z možných výstupů je plánovaný finanční náklad na energie, případně konfrontace se skutečností.
Akumulace energie
Při existenci akumulační nádoby lze tuto přidat do systému jako další zdroj energie a její kapacitu získat pro ekonomické nakládání přímo z rozdílu vstupní a výstupní topné vody, jak je uvedeno níže u energetických charakteristik nebo z údajů výrobce. Pak lze akumulovat a pracovat s jednotkou ve wattech nebo joulech dle požadavku na dodanou energii jako potenciálního zdroje s výhodou využít předpověď počasí, pokud se jedná například o akumulaci na noční proud.
Orientační ekvitermní charakteristiky
Ke standardnímu výpočtu teploty vstupní vody jednotlivých okruhů podle venkovní teploty a dalších parametrů (např. typu objektu), lze dospět sledováním reakcí na vstupní parametry při stabilních podmínkách. Přesnost nastavení výstupní teploty může být ovlivněna parametry PID regulátoru tak, aby se zohlednily atypické podmínky třeba velkého dopravního zpoždění. Dalším ovlivňujícím prvkem může být ovládání oběhového čerpadla výstupem 0-10V. Standardně je na základní desce jeden analogový výstup. Pro více ovládaných čerpadel je třeba použít modul s analogovými výstupy, jinak lze čerpadla jen spínat-vypínat.
Plánování provozu
Lze navázat od jednoduchých kalendářů typu Google apod. pro jednotlivé okruhy až na složité databázové systémy SQL bez omezení cyklů s možností změn přes Webové rozhraní nebo SMS konektor s potvrzením změn
Energetické charakteristiky
Při doplnění teploměrů na zpáteční okruhy lze při zadání parametrů oběhových čerpadel získat parametr okamžité spotřeby v čase. Následně lze získat i spotřebu jednotlivých okruhů ve wattech nebo joulech pro kalkulace s jednotlivými zdroji a případné využití akumulované energie.
Historie a práce s daty
Samostatné nasazení UniPi a jeho možnosti komunikace nabízí dvě základní varianty. Přímé připojení na web instalovaného zařízení a sledování aktuálních procesů a jejich ovlivnění nebo přístup přes zákaznický portál, který je v ceně zařízení a kde jsou uložena data v databázích. Při detailním monitoringu doporučujeme kombinaci obou možností. Lze pak srovnávat např. roční bilance spotřeby v závislosti na teplotě (Obr. 3).
Obr. 3. Průběh teploty v závislosti na čase v akumulační nádrži
Bezpečnost a havarijní stavy
Systém je koncipován tak, že po výpadku el. energie nahrává poslední známé požadavky na regulaci a pokračuje ve funkci. V případě zálohování může odeslat informaci o výpadku energie i o znovupřipojení klasickými kanály - e-mail, SMS apod. Watchdog zajistí restart v případě vlastních problémů. Standardem jsou plánované kalibrace polohy servopohonů apod. Opět platí, že detail logování a distribuovaných informací si volí uživatel sám.
Praktická realizace
Obr. 4. Instalace pro ověření funkčnosti (pracovní verze)
Obr. 5. Ukázka praktického zapojení digitálních 1Wire teploměrů pro regulaci pomocí trojcestného ventilu
SMART room (chytrý pokoj)
Systém vytápění ovládaný ekvitermním regulátorem lze doplnit o produkt SMART room a regulovat tak teplotu přímo v místnosti pomocí bezdrátově (nebo drátově) ovládané radiátorové hlavice a digitálního 1Wire teploměru. Systém lze napojit na administrační systém např. hotelu a minimalizovat tak nutnost manuálních zásahů (Obr. 6.). Připraven bude i modul pro ovládání světel a elektrických venkovních žaluzií nebo rolety.
Obr. 6. Reakce teploty na objednání hotelového pokoje. Actuator (%) je výchylka regulačního prvku, v tomto případě hlavice na topení.
SMART pool (chytrý bazén)
Pomocí tohoto systému lze ovládat domácí systémy bazénu automatické ovládání filtrace a cirkulace vody, osvětlení bazénu a při použití vhodného typu tepelného čerpadla i regulovat teplotu v bazénu. To vše pomocí jediné desky UniPi se všemi výhodami - plánování, real-time sledování, vzdálené ovládání a statistiky.
Obr. 7. Příklady jednoduchého webového rozhraní pro ovládání bazénu v systému REX Controls
Závěr a dostupnost
U všech produktů je samozřejmostí ovládání přes IP (mobilní telefon, tablet, PC, notebook…), a to v reálném čase. Díky výkonu minipočítače Raspberry Pi a desky UniPi lze instalace bez problému užít i v komerční sféře - hotely, školy, kanceláře atd. Důležitou stavební jednotkou u všech systémů jsou teploměry připojené na sběrnici 1Wire.
Produkty z řady SMART jsou momentálně ve fázi vývoje a testování beta verzí. Uvedení finálních, odladěných produktů na trh předpokládáme v druhém kvartálu 2015 a poté postupně řadu SMART rozvíjet o další produkty pro efektivní automatizaci budov. Pro více informací neváhejte kontaktovat oddělení měření a regulace na adrese regulace@faster.cz.
Vývoj a výroba programovatelných řídicích jednotek (PLC), převodníků, senzorů a systémů pro technická zařízení budov, BMS, chytré domácnosti, výrobu, průmysl a automatizaci.
