Ανάπτυξη προσαρμοστικών συστημάτων για εξοικονόμηση ενέργειας σε κτίρια με εφαρμογή τεχνολογιών διαδικτύου των αντικειμένων (IoT) και μεθοδολογιών πληθοπορισμού

Abstract

This work examines issues related to the application of Internet of Things (IoT) technologies, with the aim of developing sensor systems (WSN) and crowdsourcing methodologies, to save energy in adaptive buildings. Modern Building Energy Management Systems (BEMS) are based on measurements and signals from sensors that are statically installed in a building and based on some scenarios developed by user to control the operation of the building's devices. All these are managed from a central system installed in the building. Wireless sensor networks are a rapidly evolving technology that is widely used in buildings as well. In a smart building, tiny sensors, fixed or moving, are integrated into all the devices that humans use in their daily lives, creating a distributed system. These sensors can communicate wirelessly with each other, as well as with an external network over the Internet, turning conventional devices into smart ones, and integrating them into the Internet of Things (IoT). In this way they communicate with any other device on the internet, making their management by users easier and more dynamic, while there can even be an initiative of their own actions. However, in addition to the sensors that need to be integrated in the building for monitoring, crowdsourcing technologies can also be used. More specifically, crowdsensing methods are studied, where used sensors for measurements that are not installed in the building specifically for the BEMS system, but are available on devices used by users in their daily lives. For example, a user's mobile phone, especially a smartphone, has a lot of capabilities both because of its sensors and because of its computing and storage features. This enables us to develop applications for smartphones that will provide valuable information about the user's location, environmental conditions close to the user, his body condition (sleeping, lying down, sitting, walking, running, driving, etc.), his interactions with other users, the occupancy of other people in the place where the user is, etc. Such applications could find significant application in places where there are many users, and provide as much information as the system needs without the need to install permanent sensors. For example, at an airport, users' mobile phones could provide information on the temperature in each room to adjust the air conditioning system locally. Such crowdsensing applications can be developed in many cases, but there are several challenges such as: how to endorse the participation of users, how to properly manage the battery and other resources on the user's device, how to ensure users' privacy, etc. As part of this dissertation, we designed prototype building automations that are part of the Internet of Things (IoT) and use wireless sensor networks with IPv6 technologies, while being flexible and compatible with a wide range of building facilities. The automations developed include wireless communication using the 6LoWPAN protocol, based on the IEEE 802.15.4 standard and the IPv6 protocol. Also, using the CoAP protocol, they follow a RESTful architecture that makes access from the outside world very easy with GET/PUT requests. The automations we designed were distinguished in the international IPSO innovation competition, where their important aspects were recognized with the new technologies they incorporate. In the smart room of the laboratory where the automations were installed, we developed combined scenarios that control lighting, air conditioning, ventilation, etc., and we managed to save at least 40% energy, while the thermal and visual comfort of the users was maintained at very satisfactory levels. Also, also been integrated virtual light sensors that we developed, which are based on algorithmic methods that estimate the brightness in places where there are no sensors, using the light measurements from sensors in other points of the room. Then we studied the human factor in building environments. We developed methods for fine-grained indoor localization of a user, based on communication threshold effect between two nodes in a wireless sensor network. Then, we developed feature extraction methods to identify a user's activity and environment by applying machine learning algorithms with data from their smartphone. Finally, we studied the federation of buildings that their facilities and the IoT equipment follow different architectures. In the platform that was developed, users can also participate (crowdsourcing) through a mobile application on their smartphone, in order to feed the system with their opinion (subjective input), but also to provide measurements from the sensors of their smartphones (crowdsensing). In the laboratory, scenarios for the lighting control were implemented with active participation of crowd and different incentives policies for the users were studied, to encourage their participation.

Στην διατριβή αυτή μελετώνται ζητήματα που αφορούν την εφαρμογή τεχνολογιών του διαδικτύου των αντικειμένων (IoT), με σκοπό την ανάπτυξη συστημάτων δικτύων αισθητήρων (WSN) και μεθοδολογιών πληθοπορισμού (crowdsourcing), για εξοικονόμηση ενέργειας σε προσαρμοστικά κτίρια. Τα σύγχρονα εμπορικά συστήματα ενεργειακής διαχείρισης κτιρίων (Building Energy Management Systems – BEMS) βασίζονται σε μετρήσεις και σήματα από αισθητήρες που είναι εγκατεστημένοι στατικά σε ένα κτίριο και με βάση κάποια σενάρια που έχει επιλέξει ο χρήστης ελέγχουν την λειτουργία των συσκευών του κτιρίου. Όλα αυτά διαχειρίζονται από ένα κεντρικό σύστημα που είναι εγκατεστημένο στο κτίριο. Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων, είναι μία ταχέως εξελισσόμενη τεχνολογία που βρίσκει μεγάλη εφαρμογή και στα κτίρια. Σε ένα έξυπνο κτίριο μικροσκοπικοί αισθητήρες, σταθεροί ή και κινούμενοι, ενσωματώνονται σε όλες τις συσκευές που ο άνθρωπος χρησιμοποιεί στην καθημερινή του ζωή, δημιουργώντας ένα κατανεμημένο σύστημα. Οι αισθητήρες αυτοί μπορούν να επικοινωνούν ασύρματα τόσο μεταξύ τους όσο και με εξωτερικά συστήματα μέσω διαδικτύου, μετατρέποντας τις συμβατικές συσκευές σε έξυπνες, και τις εντάσσουν στο Διαδίκτυο των Αντικειμένων (IoT). Με αυτόν τον τρόπο επικοινωνούν με οποιαδήποτε άλλη συσκευή βρίσκεται στο διαδίκτυο, κάνοντας τη διαχείριση τους από τους χρηστές ευκολότερη και πιο δυναμική, ενώ ακόμα μπορεί να υπάρξει και πρωτοβουλία δικών τους κινήσεων. Εκτός όμως από τους αισθητήρες που χρειάζεται να ενσωματωθούν στο κτίριο για τη παρακολούθηση της κατάστασης και των λειτουργιών του, μπορούν να χρησιμοποιηθούν και τεχνολογίες πληθοπορισμού. Πιο συγκεκριμένα, μελετώνται crowdsensing μέθοδοι, όπου για λήψη μετρήσεων χρησιμοποιούνται αισθητήρες που δεν έχουν τοποθετηθεί στο κτίριο ειδικά για το σύστημα BEMS, αλλά υπάρχουν σε συσκευές που χρησιμοποιούν οι χρήστες στην καθημερινότητά τους. Για παράδειγμα, το κινητό τηλέφωνο ενός χρήστη, ειδικά κάποιο σημερινό smartphone, έχει παρά πολλές δυνατότητες τόσο λόγω των αισθητήρων που διαθέτει όσο και λόγω των υπολογιστικών και αποθηκευτικών χαρακτηριστικών του. Αυτό μας δίνει την δυνατότητα να αναπτύξουμε εφαρμογές για smartphones, που θα δίνουν πολύτιμες πληροφορίες για την θέση του χρήστη, τις περιβαλλοντικές συνθήκες κοντά στον χρήστη, τη δραστηριότητά του, την αλληλεπίδρασή του με άλλους χρήστες, την συγκέντρωση άλλων χρηστών στον ίδιο χώρο που βρίσκεται ο χρήστης, κλπ. Τέτοιες εφαρμογές, θα μπορούσαν να βρουν σημαντική εφαρμογή σε χώρους που υπάρχουν πολλοί χρήστες, και να δίνουν όση πληροφορία χρειάζεται το σύστημα χωρίς να απαιτείται να εγκατασταθούν μόνιμοι αισθητήρες. Για παράδειγμα, σε ένα αεροδρόμιο θα μπορούσαν τα κινητά τηλέφωνα των χρηστών να δίνουν πληροφορίες για την θερμοκρασία που υπάρχει σε κάθε χώρο ώστε να προσαρμόζεται κατάλληλα τοπικά το σύστημα κλιματισμού. Τέτοιες crowdsensing εφαρμογές μπορούν να αναπτυχθούν πάρα πολλές, όμως υπάρχουν και αρκετές προκλήσεις όπως για παράδειγμα πώς θα πεισθούν οι χρήστες να συμμετέχουν, πώς θα γίνει σωστή διαχείριση της μπαταρίας και των υπολοίπων πόρων στην συσκευή του χρήστη, πώς θα εξασφαλισθεί το απόρρητο του χρήστη, κλπ. Στο πλαίσιο αυτής της διατριβής, σχεδιάσαμε πρότυπους αυτοματισμούς κτιρίων που εντάσσονται στο Διαδίκτυο των Αντικειμένων (IoT) και χρησιμοποιούν ασύρματα δίκτυα αισθητήρων με IPv6 τεχνολογίες, ενώ παράλληλα είναι ευέλικτοι και συμβατοί με μεγάλο εύρος κτιριακών εγκαταστάσεων. Οι αυτοματισμοί που αναπτύχθηκαν, ενσωματώνουν ασύρματη επικοινωνία χρησιμοποιώντας το πρωτόκολλο 6LoWPAN, που βασίζεται στο πρότυπο ΙΕΕΕ 802.15.4 και το πρωτόκολλο IPv6. Επίσης, χρησιμοποιώντας το πρωτόκολλο CoAP, ακολουθούν μια RESTful αρχιτεκτονική που κάνει πολύ εύκολη την πρόσβαση από τον εξωτερικό κόσμο με GET/PUT requests. Οι αυτοματισμοί που σχεδιάσαμε διακρίθηκαν στον διεθνή διαγωνισμό καινοτομίας IPSO, όπου αναγνωρίστηκαν οι σημαντικές τους πτυχές με τις νέες τεχνολογίες που ενσωματώνουν. Στο έξυπνο δωμάτιο του εργαστηρίου που εγκαταστάθηκαν οι αυτοματισμοί αναπτύξαμε συνδυαστικά σενάρια που ελέγχουν τον φωτισμό, τον κλιματισμό, τον εξαερισμό, κλπ., και καταφέραμε εξοικονόμηση ενέργειας τουλάχιστον 40%, ενώ η θερμική και οπτική άνεση των χρηστών διατηρήθηκε σε πολύ ικανοποιητικά επίπεδα. Στον χώρο ενσωματώθηκαν και εικονικοί αισθητήρες (virtual sensors) φωτεινότητας που αναπτύξαμε, οι οποίοι βασίζονται σε αλγοριθμικές μεθόδους που εκτιμούν την φωτεινότητα σε σημεία του χώρου που δεν υπάρχουν αισθητήρες, χρησιμοποιώντας τις μετρήσεις φωτεινότητας από αισθητήρες σε άλλα σημεία του χώρου. Στην συνέχεια μελετήσαμε τον ανθρώπινο παράγοντα στο περιβάλλον ενός κτιρίου. Αναπτύξαμε μεθόδους για τον εντοπισμό της ακριβούς θέσης που βρίσκεται ένας χρήστης μέσα σε ένα δωμάτιο, εκμεταλλευόμενοι το κατωφλιακό φαινόμενο στην επικοινωνία μεταξύ δύο κόμβων σε ένα ασύρματο δίκτυο αισθητήρων. Έπειτα, αναπτύξαμε μεθόδους εξαγωγής χαρακτηριστικών (feature extraction) για την αναγνώριση της δραστηριότητας και του περιβάλλοντος ενός χρήστη με εφαρμογή αλγορίθμων μηχανικής μάθησης με δεδομένα από το smartphone του. Τέλος, μελετήσαμε την δυνατότητα ενοποίησης κτιρίων (federated buildings) που διαθέτουν IoT εξοπλισμό με διαφορετικές αρχιτεκτονικές. Στην πλατφόρμα που αναπτύχθηκε, μπορούσαν επιπλέον να συμμετέχουν και χρήστες (crowdsourcing) μέσα από μια mobile εφαρμογή στο smartphone τους, ώστε να ανατροφοδοτούν το σύστημα με την γνώμη τους, αλλά και να παρέχουν μετρήσεις από τους αισθητήρες των smartphones τους (crowdsensing). Στο εργαστήριο εφαρμόστηκαν σενάρια για τον έλεγχο του φωτισμού με ενεργή συμμετοχή του πλήθους και μελετήθηκαν διαφορετικές πολιτικές για διανομή κινήτρων στους χρήστες που ενθαρρύνουν την συμμετοχή τους. Η ερευνητική συνεισφορά αυτής της διατριβής σε σχέση με τη διεθνή βιβλιογραφία συνοψίζεται στα εξής σημεία: • Ανάπτυξη καινοτόμων ΙοΤ αυτοματισμών για κτίρια που ενσωματώνουν IPv6 δικτύωση και ακολουθούν RESTful αρχιτεκτονική. • Ενσωμάτωση εικονικών αισθητήρων σε κτίρια για εκτίμηση της φωτεινότητας σε σημεία του χώρου που δεν μπορούν να εγκατασταθούν φυσικοί αισθητήρες. • Ανάπτυξη αλγορίθμων για την ανίχνευση της δραστηριότητας και της θέσης των χρηστών του κτιρίου με στόχο την κατάλληλη προσαρμογή του χώρου στις ανάγκες του ανθρώπου • Συμπερίληψη του ανθρώπινου παράγοντα στους αυτοματισμούς κτιρίων ώστε αυτοί να γίνουν πιο φιλικοί προς τους χρήστες. • Ανάπτυξη πλατφόρμας για την ενοποίηση κτιρίων και την εφαρμογή συνδυαστικών σεναρίων για την αποδοτικότερη διαχείρισή τους. • Ανάπτυξη εφαρμογών και τεχνικών ενθάρρυνσης της συμμετοχή του πλήθους στην συνδιαμόρφωση των συνθηκών του κτιρίου μέσα από τεχνολογίες πληθοπορισμού και πληθαίσθησης.