Sledování energetické náročnosti staveb pomocí NI WSN a LabVIEW

Úkolem španělské společnosti AIDICO bylo vyvinout dálkový systém sledování parametrů prostředí, jako jsou teplota, vlhkost, intenzita slunečního záření a rychlost větru. Na jejich základě měla být zkoumána energetická náročnost staveb. Systém monitorování byl postaven na bezdrátové síti senzorů (WSN – Wireless Sensor Network) a programu LabVIEW.

Společnost AIDICO se zabývá zlepšováním energetické účinnosti a snižováním negativních dopadů na životní prostředí minimalizací vytápění, ventilace a osvětlení. V roce 2010 zahájila výzkumný projekt sledování energetické účinnosti v budovách a vyvinula měřicí laboratoř umožňující měřit parametry stěn složených z různých materiálů. Laboratoř obsahuje dvě modulární skříně s půdorysem 4,4 × 2,4 m a výškou 2,3 m. Na základě výsledků měření je vyhodnocována struktura stěn různých konstrukcí.

Instalace systému

Pro vyhodnocování efektivnosti byl zvolen monitorovací systém, který soustavně a dálkově měří hodnoty několika veličin (vlhkos­ti, teploty, intenzity slunečního záření a tepelného toku). Tento sys­tém sledování založený na bezdrátové síti senzorů (WSN) je nenáročný na instalaci a údržbu. Tvoří ho čtrnáct síťových uzlů typu NI WSN-3212 pro měření teploty s termočlánky, sedm analogových vstupních uzlů NI WSN-3202, dovolujících začlenit do sítě senzory měřící napětí v rozsahu 0 až 10 V, a dvě ethernetové brány NI WSN-9791. Systémy NI WSN založené na bezdrátovém komunikačním protokolu Zigbee mají minimální spotřebu energie a vzniká v nich minimální množství chyb způsobených ztrátou paketů, díky čemuž je dlouhodobé monitorování velmi efektivní.

Bezdrátová síť pro sběr dat musí vyhovovat těmto technickým požadavkům:

–   plynulý sběr dat s periodou vzorkování 10 min – tato doba je dostatečná k nalezení změn příslušných parametrů prostředí,

–   neustálé sledování stavu uzlů (nabití baterie a úroveň signálu),

–   řízení akčních členů pomocí aplikací vytvořených v modulu LabView WSN.

Na velmi malé ploše (přibližně 10 m²) systém obsahuje 81 různých měřicích přístrojů těchto typů:

–   56 termočlánků typu T,

–   dvanáct senzorů pro měření tepelného toku,

–   tři snímače teploty a vlhkosti,

–   tři pyranometry (měření slunečního záření),

–   jeden anemometr (měření rychlosti a směru větru),

–   dva měřiče spotřeby energie.

V projektu byly použity senzory dvou typů:

–   senzory zjišťující údaje o klimatu (teplota, vlhkost, intenzita slunečního záření a rychlost a směr větru),

–   senzory měřící vnitřní parametry v každé skříni a na její konstrukci (tepelný tok a povrchové teploty jednotlivých vrstev tvořících schránku jsou měřeny na každé straně).

Sběr dat

Pro správu dat, která jsou shromažďována prostřednictvím bezdrátové sítě WSN, byl zaveden jednoduchý program v LabView. Program je umístěn na serveru, který je prostřednictvím místní sítě LAN spojen se dvěma branami instalovanými v každé schránce. Tato architektura umožňuje shromažďovat data z jednotlivých uzlů.

Pro řízení připojených zařízení, sběr dat a komunikaci s hlavní internetovou aplikací byly využity knihovny LabView obsahující mnohé pokročilé funkce.

Vývoj webového rozhraní

Data pořízená v síti WSN jsou zobrazena a zpracována pomocí aplikace vytvořené v LabView, která také umožňuje nastavit alarmy a monitorovat stav uzlu. Program následně zasílá naměřené hodnoty do databáze MySQL umístěné na vzdáleném serveru. Pro záznam dat byla použita databázová knihovna s ODBC (Open DataBase connectivity) konektorem.

Závěr

V rámci výzkumného projektu financovaného organizací IMPIVA (Institut pro malé a střední firmy ve Valencii) s podporou fondu EU pro regionální vývoj (ERDF) uvedla firma AIDICO do provozu systém dálkového sledování prostředí, který má pomoci zlepšit energetickou účinnost stavebních a konstrukčních komponent. Ke zkoumání stavebních konstrukcí byl pro jeho snadnou instalaci, konfi­guraci a škálovatelnost po­užit systém NI WSN s integrovanými uzly pro měření teploty a analogové měření. Pro řízení sítě uzlů byl v LabView vyvinut program umožňující konfigurovat síť, integrovat několik uzlů, zpracovávat data a zaznamenávat informace pořízené prostřednictvím sítě do internetové aplikace na nejvyšší technické úrovni. Díky tomu může uživatel spravovat a zobrazovat informace několika způsoby.

Vicente Albert, Alejandro García, Sergio Muńoz,  AIDICO

Obr. 1. Funkční schéma systému NI WSN

Obr. 2. Implementace uživatelského rozhraní LabView WSN

Obr. 3. Internetová platforma pro dálkové řízení NI WSN