Sběr teplotních údajů při použití jednodeskového počítače

Článek stručně představuje hardware a software zařízení pro automatické dlouhodobé měření teploty na větším počtu míst sestavené na bázi jednodeskového počítače Raspberry Pi. Dále uvádí do problematiky návrhu zařízení s jednodeskovým počítačem a upozorňuje na přednosti při jeho využití v automatizační praxi.

 
S nabídkou nové a snadno dostupné techniky se otvírají možnosti řešit úlohy, které přináší praxe, netradičními způsoby. Poměrně často se vyskytující kategorií úloh jsou úlohy současného měření teploty na větším počtu míst sledovaného objektu a prezentace naměřených hodnot. V článku je popsán způsob řešení úlohy uvedeného typu při použití jednodeskového počítače, který díky svým vlastnostem dokáže plnit poměrně náročné úkoly s malými pořizovacími a provozními náklady a zároveň s velkou spolehlivostí.
 

Charakteristika úlohy

Konkrétní úloha, jejímuž řešení při použití jednodeskového počítače se článek věnuje, spočívá v dlouhodobém měření v intervalu 10 min, záznamu a poté vizualizaci šestnácti údajů o teplotě pro účely výzkumu šíření tepla v lehkých střešních pláštích během letního období. Pro tento experiment byly zhotoveny reprezentativní fyzické modely čtyř nejčastěji používaných způsobů zastřešení v ČR. Teploty na určených místech modelů byly snímány digitálními snímači teploty Dallas DS18B20 [1] se sběrnicovým připojením a jako řídicí jednotka pro účely měření, záznamu a vizualizace dat byl použit jednodeskový počítač Raspberry Pi.
 

Fyzické modely střešních plášťů

Pro účely měření šíření tepla v lehkých střešních pláštích během letního období byly zhotoveny dva reálné modely šikmé střechy, každý o dvou polích (obr. 1). Při volbě skladby střešního pláště se u těchto modelů (polí) vycházelo z uspořádání nejčastěji používaného na střechách rodinných domů v ČR [2], tj. keramická pálená střešní krytina a pod ní postupně větraná vzduchová mezera, difuzně otevřená fólie, minerální vláknitá tepelná izolace umístěná mezi (a pod) krokvemi, parotěsná fólie (parozábrana) a stropní podhled ze sádrokartonu, desek z orientovaných plochých třísek (deska OSB) nebo dřevěných palubek – viz obr. 2. Převážná většina takto provedených střech má problémy s přehříváním přilehlých podkrovních místností.
 
Ve snaze redukovat letní tepelné zisky skrze střešní plášť bez zásadní změny charakteru klasické skladby jsou zkoumány různé její materiálové varianty. V daném případě byl za účelem dosáhnout větší teplotní setrvačnosti konstrukce namísto minerální vláknité tepelné izolace použit izolační materiál s větší objemovou tepelnou kapacitou – lněná vlákna. K tomu byly dále zvoleny čtyři materiálové varianty střešního pláště, označené A, B, C a D, vyznačující se kombinací dvou typů difuzní fólie (klasická šedá, reflexní) a dvou druhů podhledu (sádrokarton, panely z lisované slámy) – viz tab. 1.
 

Účel a rámec měření

Účelem měření na fyzických modelech střešního pláště bylo zjistit skutečné teploty ve střešních pláštích různé skladby při jejich vystavení reálným klimatickým podmínkám s následnou možností porovnat naměřené teploty s teplotami získanými numerickým výpočtem podle matematického modelu pro neustálený teplotní stav za stejných okrajových podmínek [3]. Důraz byl kladen na zachycení denního cyklu (zahřívání a chladnutí konstrukce během 24 h) a také na teplotní chování během série teplých dnů, kterým předcházelo chladné období (sledování schopnosti konstrukce akumulovat teplo v situaci, kdy v důsledku postupného zahřívání konstrukce klesají její tepelněakumulační schopnosti). Dále je možné dopočítat tepelné toky, teplotní útlum a fázový posun teplotního kmitu [4].
 
Měřilo se dlouhodobě, přičemž v každém ze čtyř polí lišících se skladbou střešního pláště (varianty A, B, C a D – viz tab. 1) byly, vždy na vertikále, umístěny čtyři snímače teploty – na spodním povrchu krytiny, na spodním povrchu difuzní fólie, na vrchním povrchu podhledu a na spodním povrchu podhledu (obr. 2).
 
Klimatické údaje byly získávány z meteorologické stanice umístěné v blízkosti stanoviště s fyzickými modely střešního pláště.
 

Měřicí a vyhodnocovací prostředky

Jako výchozí se nabízela možnost použít měřicí ústřednu ALMEMO od firmy Ahlborn, záhy však vyvstalo několik komplikací. Zásadním problémem byl omezený počet měřicích kanálů ústředny, kdy ani dvě ústředny současně neposkytovaly dostatečný počet vstupů. Dalším problémem bylo potřebné umístění fyzických modelů střešních plášťů na terase budovy, kde jsou vystaveny povětrnostním vlivům. Ústředny by bylo nutné opatřit sadou přívodních kabelů délky asi 12 m nebo by musely být umístěny taktéž na venkovní terase.
 
Jako dostatečně kapacitní, technicky jednodušší a ekonomicky výhodnější se ukázalo zvolit uspořádání založené na použití snímačů teploty připojených prostřednictvím digitální komunikační sběrnice k univerzálnímu jednodeskovému počítači, které zmíněné problémy varianty s ústřednou eliminuje.
 

Hardware

Jednodeskový počítač (Single-Board Computer – SBC) je počítač záměrně sestrojený tak, aby všechny periferie byly součásti jedné desky plošného spoje. V současné době je velmi rozšířeným počítačem tohoto typu přístroj Raspberry Pi, vyvinutý a zdokonalovaný nadací Raspberry Pi Foundantion, který se vyznačuje solidními technickými parametry, nízkou cenou, širokou podporou a velmi početnou komunitou uživatelů. Z těchto důvodů byl počítač Raspberry Pi použit i v daném případě. Pohled na počítač je na obr. 3, bližší popis je obsažen v [5].
 
Jako snímače teploty byly zvoleny digitální snímače teploty Dallas DS18B20 s rozhraním pro sběrnici 1-Wire od výrobce Maxim, které svými vlastnostmi (zejména přesnost a sběrnicové připojení) splňují požadavky úlohy. Přímé fyzické propojení sběrnice 1-Wire, vystavené povětrnostním vlivům, s počítačem Raspberry Pi zajišťuje převodník sběrnice USB na sběrnici 1-Wire typu DS9490R od výrobce Maxim.
 
Výsledné zapojení hardwaru je blokově znázorněno na obr. 4.
 

Software

Výrobce jednodeskového počítače Raspberry Pi nabízí na výběr několik předem připravených operačních systémů, které jsou po zkopírování na kartu SD připraveny k okamžitému použití. Pro daný účel byl vybrán linuxový systém Raspbian, dostupný na webu výrobce [5], který vychází z oblíbené distribuce Debian ve verzi Wheezy.
 
Pro tvorbu vlastních programů bylo použito prostředí Python [6] s vlastnostmi výrazně usnadňujícími návrh, ladění i použití vlastních skriptů. Jde o multiplatformní skriptovací jazyk typu open source, takže vlastní skripty lze odladit i na klasickém PC v prostředí Windows a následné přenesení do počítače Raspberry Pi je jen otázkou pouhého zkopírování skriptu v textové podobě.
 
Pro pohodlnou práci se sběrnicí 1-Wire v linuxovém prostředí je vhodné použít balíček OWFS (One Wire File System) [7], umožňující připojit (příkaz mount) adresářovou strukturu všech aktuálně připojených zařazení s rozhraním 1-Wire včetně konfigurací jak sběrnice, tak všech řízených zařízení (slave). Poté stačí přečíst soubor temperature v konkrétním adresáři, který obsahuje aktuální údaj teploty v okamžiku otevření souboru. Konkrétně např. soubor /mnt/1wire/28.4D0E24030000/temperature obsahuje text 20.6875, odkud je patrné, že adresářová struktura obsahuje jedinečnou adresu zařazení 1-Wire, takže údaje ostatních teplot se nacházejí v jiných adresářích.
 
K tvorbě grafů je použita knihovna MathPlotLib [8], umožňující vytvářet grafy podobně jako v prostředí Matlab/Octave. K vlastnímu zobrazení údajů v grafické podobě byl vybrán webový server, aby bylo možné sledovat data odkudkoliv, a to nejen na PC, ale i v mobilním telefonu s připojením na internet. Vzhledem k omezeným systémovým prostředkům postačuje jednoduchý webový server, konkrétně Lighttpd [9], který je standardní součásti linuxových repozitářů.
 
Jednotlivé skripty byly rozděleny do těchto skupin:
  • zaznam.py: měření a záznam naměřených hodnot,
  • grafy.py: generování grafů z aktuálních hodnot,
  • index.html: vizualizace naměřených údajů prostřednictvím publikování veřejně dostupné stránky v HTML.
Vlastní chod všech skriptů i s popisem úkonů je ukázán na obr. 5.
 

Ukázka naměřených hodnot

Úkolem tedy bylo měřit teploty na šestnácti místech v intervalu 10 min a zaznamenávat je (obr. 6). Vlastní vizualizace ve fázi „ostrého“ použití je rozdělena do čtyř čtveřic, zobrazených s použitím stránky v jazyce HTML. Tyto grafy slouží k zobrazení aktuální situace, nicméně pro pozdější zpracování údajů je vytvářen soubor naměřených údajů, který byl pravidelně zálohován a odesílán na záložní FTP server.
 
Vlastní soubor s naměřenými hodnotami je již ukládán ve formátu csv, usnadňujícím zpracování v tabulkovém procesoru, v němž lze vedle výpočtů generovat grafy pro konkrétní časový úsek. Na obr. 7 je ukázán záznam dvou dnů pro variantu A skladby střešního pláště. Podle veřejného archivu Českého hydrometeorologického ústavu byla v Brně dne 9. srpna 2014 maximální teplota vzduchu 30 a minimální 16 °C.
 

Závěr

V článku je ukázána možnost využití jednodeskového počítače k automatickému měření se záznamem a vizualizací naměřených údajů. Díky možnosti spustit plnohodnotné linuxového prostředí (s ohledem na architekturu použitého procesoru) lze do určitého rozsahu řešit jakýkoliv problém, se kterým se lze při automatizaci setkat, a proto se zařízení tohoto druhu jeví jako velmi užitečná a perspektivní.
 
Přednostmi jednodeskového počítače při použití v automatizaci jsou zejména malá spotřeba elektrické energie (v případě Raspberry Pi je udáván maximální příkon 3,5 W, reálně byl při trvalém provozu naměřen příkon 2,5 W) a nízké pořizovací náklady. Jednodeskové počítače v kombinaci s linuxovým operačním systémem také dosahují vysoké spolehlivosti. V daném případě byl počítač Raspberry Pi v pravidelných intervalech sledován neustále běžícím serverem, jehož úkolem bylo v případě výpadku okamžitě informovat e-mailem obsluhu a vytvořit o události záznam. Jelikož nic takového nenastalo, lze s jistotou konstatovat, že měření v průběhu několika měsíců proběhlo bez jediného výpadku měřicího zařízení.
 
Poděkování
Článek vznikl za podpory projektu Aplikovaná informatika a řízení, FSI-S-14-2533, a Optimalizace návrhu krycích mřížek větracích otvorů u provětrávaných dvouplášťových konstrukcí, FAST-J-14-2330.
 
Literatura:
[1] DS18B20 Programmable Resolution 1-Wire Digital Thermometer [on-line]. 2 008 [cit.2014-12-03]. Dostupné na <http://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/DS18B20.pdf.>
[2] FAJKOŠ, A. – NOVOTNÝ, M.: Střechy: základní konstrukce. Praha, Grada, 2003, 164 s., ISBN 80-247-0681-4.
[3] SVOBODOVÁ, S.: Vliv polohy akumulační vrstvy na letní tepelnou stabilitu. Brno, Structura, 2013, ISBN 978-80-248-3236-4.
[4] SVOBODOVÁ, S.: Vliv materiálu tepelné izolace střech na vnitřní teplotu vzduchu v letním období. Brno, Juniorstav, 2013,
ISBN 978-80-214-4670-0.
[5] Raspberry Pi [on-line]. R aspberry Pi Foundation [cit. 2014-12-01]. Dostupné na <www.raspberrypi.org>.
[6] Python.org [on-line]. [cit. 2014-12-01]. Dostupné na <www.python.org/>.
[7] OWFS [on-line]. [cit. 2014-12-01]. Dostupné na <http://owfs.org/>.
[8] Mathplotlib [on-line]. [cit. 2014-12-01]. Dostupné na <http://matplotlib.org/>.
[9] Lighttpd [on-line]. [cit. 2014-12-01]. Dostupné na <www.lighttpd.net/>.
 
Ing. Daniel Zuth, Ph.D.
Ing. Pavel Matyáš
Ústav automatizace a informatiky, Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně,
Ing. Sylvia Svobodová
Ústav pozemního stavitelství, Fakulta stavební VUT v Brně
 
Obr. 1. Fyzický model pláště střechy: celkem bylo měřeno na dvou modelech podle obrázku, každém o dvou polích lišících se vnitřní skladbou střešního pláště (rozměry jsou v metrech)
Obr. 2. Schematický průřez střešním pláštěm instalovaným na fyzických modelech a umístění snímačů teploty (skladba pláště v jednotlivých polích viz tab. 1)
Obr. 3. Jednodeskový počítač Raspberry Pi (foto: Raspberry Pi Foundantion)
Obr. 4. Blokové schéma hardwaru
Obr. 5. Vývojový diagram programu zajišťujícího sběr a vizualizaci údajů o teplotě
Obr. 6. Ukázka grafu závislosti teplot na čase ve třech bodech (T1 až T3) vygenerovaného v prostředí Python ve fázi ověřování programu
Obr. 7. Teploty naměřené v plášti se skladbou A ve dnech 9. až 11. srpna 2014
 

Tab. 1. Zkoumané varianty skladby střešního pláště

Označení varianty A B C D
Krytina keramická pálená
Odvětrání větraná vzduchová mezera
Difuzní fólie reflexní klasická šedá reflexní
Tepelná izolace lněná vlákna
Parozábrana parotěsná fólie
Podhled  sádrokarton  desky z lisované slámy