NECMETTİN ERBAKAN ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
KABLOSUZ ALGILAYICI/EYLEYİCİ AĞ
TABANLI KONTROL SİSTEMİ TASARIMI
İLE BİNALARDA ENERJİ VERİMLİLİĞİNİN
ARTTIRILMASI
Seyit Alperen ÇELTEK
YÜKSEK LİSANS TEZİ
Enerji Sistemleri Mühendisliği Anabilim Dalı
Haziran-2017
KONYA
Her Hakkı Saklıdır
Seyit Alperen ÇELTEK tarafından hazırlanan “Kablosuz Algılayıcı/Eyleyici Ağ Tabanlı Kontrol Sistemi Tasarımı ile Binalarda Enerji Verimliliğinin Arttırılması” adlı tez çalışması D. ./<??./2p.i?tarihinde aşağıdaki jüri tarafından oy birliği / o*=çükİuğu ile Necmettin Erbakan Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Enerji Sistemleri Mühendisliği Anabilim D alı’nda YÜKSEK LİSANS olarak kabul edilmiştir.
J ü r i Ü yeleri İmza
Başkan
Prof. Dr. Ahmet ARSLAN ...'.'A...
Danışman \ .
Yrd. Doç. Dr. Hakkı SOY ^ O s f
üye
*
A U
Prof. Dr. Hidayet OĞUZ ...
Yukarıdaki sonucu onaylarım.
Prof. Dr. Ahmet COŞKUN FBE Müdürü
Bu tez çalışması Necmettin Erbakan Üniversitesi BAP Koordinatörlüğü tarafından 161319011 nolu proje ile desteklenmiştir.
B u tezdeki bütün bilgilerin etik davranış ve akadem ik kurallar çerçevesinde elde edildiğini ve tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışm ada bana ait olm ayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm.
DECLARATION PAGE
I hereby declare that all inform ation in this docum ent has been obtained and presented in accordance w ith academ ic rules and ethical conduct. I also declare that, as required by these rules and conduct, I have fully cited and referenced all material and results that are not original to this work.
Seyit A lperen ÇELTEK Tarih:
YÜKSEK LİSANS TEZİ
KABLOSUZ ALGILAYICI/EYLEYİCİ AĞ TABANLI KONTROL SİSTEMİ
TASARIMI İLE BİNALARDA ENERJİ VERİMLİLİĞİNİN ARTTIRILMASI
Seyit Alperen ÇELTEK
Necmettin Erbakan Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü
Enerji Sistemleri Mühendisliği Anabilim Dalı
Danışman: Yrd. Doç. Dr. Hakkı SOY
2017, 102 Sayfa
Jüri
Yrd. Doç. Dr. Hakkı SOY
Prof. Dr. Hidayet OĞUZ
Prof. Dr. Ahmet ARSLAN
Bina kontrol sistemleri binalarda konforu artırırken, tüketilen enerjinin azaltılması amacıyla kullanılmaktadır. Her geçen gün yaygınlaşan bu sistemler aydınlatma ve iklimlendirme cihazlarını kontrol edererek enerji verimliliğini arttırmayı hedefler. Bu tezde kablosuz algılayıcı / eyleyici ağ tabanlı bina iklimlendirme ve aydınlatma kontrol sistemi tasarımı üzerinde çalışılmıştır. Bu amaç doğrultusunda, ortam parametrelerini takip etmek için algılayıcı düğümler, aydınlatma ve iklimlendirme görevlerini kontrol etmek için de eyleyici düğümler tasarlanmıştır. Algılayıcı ve eyleyici düğümlerden oluşan bu kablosuz ağı yönetmek ve kullanıcılara bilgi vermek için kontrol düğümüne ve merkezi düğüme yer verilmiştir. Mevcut kablolu sistemlerin kurulum zorluğu ve bakım masrafı, kablosuz sistemlerinin de büyük ölçekli binalarda algılayıcılar ile kontrol merkez arasındaki haberleşme mesafesinin artmasından dolayı haberleşme için harcanan enerjinin artması ve kablosuz bina otomasyonu konusunda dünya standartlarında kabul edilmiş bir haberleşme standartının olmaması bu çalışmanın önemini daha da arttırmaktadır. Bu çalışmanın amacı, kablosuz algılayıcı eyleyici ağ (KAEA) tabanlı bir bina otomasyon sistemi geliştirmek ve geliştirilen bu sistem ile bina aydınlatma ve iklimlendirme sistemlerinde enerji verimliliğini arttırmaktır. Bu çalışma, kullanılan haberleşme protokolüyle, binalarda iklimlendirme ve aydınlatma alt sistemlerinin KAEA tabanlı bir sistem ile kontrol edilebilineceği ortaya koymuştur. Yapılan çalışma, mevcut büyük ölçekli binaları akıllı binalar haline dönüştürmek için gerek maliyet gerek uygulanabilirlik bakımından örnek teşkil edebilecek niteliktedir.
Anahtar Kelimeler:
Akıllı Binalar, Bina Otomasyonu, Kablosuz Algılayıcı Eyleyici Ağları.MS THESIS
THE INCREASING ENERGY EFFICIENY IN A BUILDING WITH
WIRELESS SENSOR and ACTUATOR NETWORK BASED CONTROL
SYSTEM
Seyit Alperen ÇELTEK
THE GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCE OF
NECMETTİN ERBAKAN UNIVERSITY
THE DEGREE OF MASTER OF SCIENCE
IN ENERGY SYSTEMS ENGINEERING
Advisor: Asst. Prof. Dr. Hakkı SOY
2017, 102 Pages
Jury
Asst. Prof. Dr. Hakki SOY
Prof. Dr. Hidayet OGUZ
Prof. Dr. Ahmet ARSLAN
Building control systems are used to increase the comfort of the buildings while reducing the energy consumption. These systems, which are becoming widespread everyday, aim to increase energy efficiency by controlling lighting and air conditioning devices. In this thesis, the wireless sensor actuator network based building control system has been studied. For this purpose, sensor nodes are designed to monitor the environmental parameters and actuator nodes are used to control the illumination and climate conditioning tasks. A control node and a central node are used to manage the wireless sensor actuator network and inform the users. The installing and maintenance of existing wired systems is difficult. On the other hand, the decrease in working efficiency due to the increase of communication distance of wireless systems in large-scale buildings, and the lack of a world-wide communication standard for wireless building automation further increase the importance of this work. The purpose of this study is to develop a building automation system based on wireless sensor actuator network (WSAN) and to improve energy efficiency in building lighting and air conditioning systems. This study shows that the communication protocol can be used to control climate and lighting subsystems of the buildings with a WSAN-based system. The study is an example in terms of cost and applicability to transform existing large scale buildings into intelligent buildings.
Keywords:
Smart Buildings, Building Automation, Wireless Sensor and Actuator Networks.Son zam anlarda birçok araştırm acı binalarda enerji verim liliğinin arttırılması adına çalışm alar yapm aktadır. Ü lkem izde, 5627 sayılı enerji verim liliği kanunu ve buna bağlı olarak çıkarılan yönetm eliğe göre binalarda enerjinin etkin ve verim li kullanılm ası artık zorunlu b ir hal almıştır. B u tez çalışm asında kablosuz algılayıcı/ eyleyici tabanlı bina kontrol sistemi tasarlanm ıştır.
H erşeyden önce tez çalışm am ı güven ve huzur ortam ında yapm am ı sağlayan güvenlik güçlerim ize ve bu uğurda canlarını feda eden aziz şehitlerim ize,
Y üksek lisans tez danışm anım Yrd. Doç. Dr. H akkı SO Y ’a, bilgi ve tecrübeleriyle bana yol gösteren ve benden yardım larını hiçbir zam an esirgem eyen Yrd. Doç. Dr. K adir SAB AN CI ve Yrd. Doç. Dr. Y u su f D İL A Y ’a ,
Bilgi ve deneyim lerini benim le paylaşan, bana yol gösteren Arş. Gör. N um an K A Y A ve Arş. Gör. M ahm ut D U R G U N ’a,
Sayın C elaleddin Ü STÜN , A bdülham id B İR E R ve tüm Fen B ilim leri Enstitüsü personeline,
H er daim desteklerini arkam da hissettiğim başta sevgili babam , canım annem, biricik kardeşlerim ve değerli eşim olm ak üzere tüm aileme,
Teşekkürlerim i sunarım.
Seyit A lperen ÇELTEK K O N Y A -2017
ABSTRACT... v
ÖNSÖZ...vi
İÇİNDEKİLER...vii
ŞEKİLLER TABLOSU... x
ÇİZELGELER TABLOSU...xii
SİMGELER VE KISALTMALAR... xiii
1.
GİRİŞ... 1
1.1. B inalarda Enerji V erim liliği...1
1.2. K aynak A raştırm ası... 2
1.3. Tezin K onusu, Amacı ve Literatüre K a tk ıs ı... 6
1.4. Tezin O rg an izasy o n u ...7
2.
KABLOSUZ ALGILAYICI/EYLEYİCİ AĞLAR... 8
3.
BİNA KONTROL SİSTEMLERİ... 13
3.1. Binalarda Kontrol Sistemi K avram ları...13
3.1.1. Binalarda Kontrol Sistemi K a tm a n la rı...13
3.1.2. H aberleşm e A ğ la rı...13
3.1.3. Algılayıcılar, Eyleyiciler ve K o ntrolö rler... 14
3.2. B ina Kontrol Sistemi P rotokolleri...14
3.2.1. K N X ...14 3.2.2. Z igB ee... 15 3.2.3. 6 L oW P A N ... 16 3.3. Ağ T opolojileri...17 3.4. H aberleşm e P roto ko lü... 19
4.
SİSTEMİN GERÇEKLEŞTİRİLMESİ...23
4.1. Kontrol Problem inin Tanım lanm ası...23
4.2. K ullanılan Donanım ların Seçim i... 26
Ö ZET...iv
4.2.3. Parlaklık S en sö rü ...33 4.2.4. 3.2’ TFT D okunm atik E k r a n ...34 4.2.5. RF Haberleşm e M o d ü lü ...36 4.2.6. W i-Fi Haberleşm e M o d ü lü ...40 4.2.7. Şerit LED S ürücü...42 4.3. D onanım Tasarım ı... 42
4.3.1. Algılayıcı D üğüm D onanım T asarım ı... 42
4.3.2. Eyleyici D üğüm D onanım T asarım ı...44
4.3.3. Kontrol D üğüm D onanım T asarım ı... 45
4.3.4. M erkez Düğüm D onanım T asarım ı... 46
4.4. Sistem Paket G önderim i...48
4.5. Sistem Haberleşm e P ro to k o lü ... 48
4.6. Sistem Haberleşm e Paket Y apıları...51
4.7. B ilgisayar Ortam ında K aydedilen Sistem V e rile ri...53
4.8. İnternet O rtam ında K aydedilen Sistem V e rile ri... 55
4.9. Sistem Düğüm leri Akış Şem aları...55
4.10. T e s t...59
4.11. B ütünleştirm e... 59
4.12. Enerji T ü k etim i...59
5.
SONUÇLAR VE ÖNERİLER... 62
KAYNAKLAR...65
EKLER... 70
EK-1 :Eyleyici D üğüm Devresi Ş e m a sı...70
EK-2: Eyleyici D üğüm Devresi A lt K atm an Baskı D evre G ö rs e li...71
EK-3: Eyleyici D üğüm Devresi Ü st K atm an Baskı D evre G ö rse li... 72
EK-4: Eyleyici D üğüm Devresi Elem an Y erleşim i... 73
EK-5: Algılayıcı D üğüm Devresi Ş em ası... 74
EK-6: Algılayıcı D üğüm Devresi A lt K atm an Baskı D evre G ö rseli... 75
EK 7: A lgılayıcı D üğüm D evresi Ü st K atm an Baskı D evre G ö rseli... 76
EK-8: A lgılayıcı D üğüm D evresi Elem an Y e rle şim i... 77
EK-9: K ontrol D üğüm D evresi Ş e m a sı...78
EK-10: A lgılayıcı D üğüm D evresi A lt K atm an Baskı D evre G ö rseli...79
E K -11: A lgılayıcı D üğüm D evresi Ü st K atm an Baskı D evre G ö rs e li...80
EK-14: A rduino U NO m ikrodenetleyici platform u elektronik şem ası... 83
EK-15: Şerit LED sürücü elektronik şem ası... 84
E K -16: M erkez D üğüm G örseli... 85
E K -17: Algılayıcı D üğüm G ö rseli...86
EK-18: Eyleyici D üğüm G örseli... 87
ÖZGEÇMİŞ... 88
Şekil 2.1. K ablosuz algılayıcı ağlar kullanılarak dağınık a lg ıla m a ...8
Şekil 2.2. Tipik kablosuz algılayıcı/ eyleyici ağ ları... 9
Şekil 2.3. K A A algılayıcı düğüm ü ana b ile şe n le ri... 10
Şekil 2.4. Eyleyici düğüm donanım b ileşen leri... 10
Şekil 2.5. K A E A ’larda otom atik m im ariye bir örnek... 11
Şekil 2.6. K A E A ’lar da yarı otom atik m im ariye bir örnek...12
Şekil 3.1. Tipik K N X protokolü kullanım ına bir örnek...15
Şekil 3.2. ZigBee temel araçları... 16
Şekil 3.3. Yıldız T o p o lo ji... 17
Şekil 3.4. Örgü topoloji... 18
Şekil 3.5. K üm e ağaç to p o lo jisi... 18
Şekil 3.6. CSM A / CA tekniğinde h ab erleşm e... 21
Şekil 4.1. Gerçekleştirilen bina otom asyon m o d e li... 23
Şekil 4.2. Önerilen sistem kapalı döngü blok diyagram ı...25
Şekil 4.3. ATm ega 328 pin görünüş ş e m a s ı... 26
Şekil 4.4. ATm ega 2560 pin görünüş ş e m a s ı... 27
Şekil 4.5. ATm ega 328 blok diyagram ı...28
Şekil 4.6. ATm ega 2560 blok d iyagram ı... 29
Şekil 4.7. Arduino UNO geliştirm e kartı görseli... 30
Şekil 4.8. Arduino M ega 2560 geliştirm e kartı görseli...31
Şekil 4.9. DHT22 Sıcaklık ve N em S e n sö rü ... 32
Şekil 4.10. TSL 2561 Parlaklık sensörü...33
Şekil 4.11. TSL 2561 B lok d iy agram ı... 33
Şekil 4.12. 3.2" TFT ekran genel g ö rü n ü m ü ...35
Şekil 4.13. R esistif ekran m im arisi...36
Şekil 4.14. Elektrom anyetik spektrum ... 37
Şekil 4.15. nRF24L01 genel görünüm ü...37
Şekil 4.16. nRF24L01 pin diyagram ı... 38
Şekil 4.17. nRF24L01 RF verici alıcı m odülü blok d iy a g ra m ı... 39
Şekil 4.18. ESP 8266 W i-Fi m odülü g ö rü n ü m ü ...40
Şekil 4.19. K ullanılan Şerit LED Sürücü M o d ü lü ... 42
Şekil 4.20. Algılayıcı D üğüm U ygulam a D e v re si... 43
Şekil 4.21. Eyleyici D üğüm U ygulam a D ev resi...44
Şekil 4.22. PW M kontrol işareti... 45
Şekil 4.23. Kontrol düğüm uygulam a d e v re s i... 46
Şekil 4.24. PLX-DAQ programı a ra y ü z ü ... 47
Şekil 4.25. M erkez düğüm uygulam a devresi... 47
Şekil 4.26. CSM A/CA H aberleşm e protokolünde dinlenm e...49
Şekil 4.27. CSM A /C A protokolü... 50
Şekil 4.28. CSM A/CA Protokolünde Kanal E riş im i...50
Şekil 4.29. İnternet sitesine aktarılan v e r ile r ...55
Şekil 4.32. ED A kış Ş em ası... 58 Şekil 4.33. H esaplanan PW M sinyali... 61 Şekil 5.1. Aynı bölgede iki farklı aydınlatm a a la n ı... 63
Çizelge 1. Ü lke ve bölgelere göre binalarda enerji tüketim i ve enerji verim liliği
potansiyeli... 2
Çizelge 2. Y aygın haberleşm e protokollerinin tem el ö zellik leri... 14
Çizelge 3. Fiziksel katm an protokol veri birimi paket y a p ısı... 20
Çizelge 4. CSM A/ CA sinyalleri, kullanım amaçları ve sinyal içerikleri... 22
Çizelge 5. nRF 24L01 pinleri ve kullanım am açları...39
Çizelge 6. K ullanılan ESP komutları ve kullanım a m a c ı...41
Çizelge 7. Protokol A çık lam ası... 48
Çizelge 8. K ullanılan düğüm ler ve çalışm a m odları... 49
Çizelge 9. D üğüm ler arası veri iletimi için kullanılan kan allar...49
Çizelge 11. Algılayıcı düğüm-Kontrol düğüm veri y a p ıs ı... 52
Çizelge 12. Kontrol düğüm - Eyleyici düğüm veri y a p ıs ı... 52
Çizelge 13. Kontrol düğüm - M erkez düğüm veri y a p ıs ı...52
Çizelge 14. M erkez düğüm- Sunucu veri y ap ısı...52
Çizelge 15. M icrosoft Office Excel program ına kaydedilen v eriler... 53
Kısaltmalar
BKS : B ina K ontrol Sistemleri GSYİH : Gayri Safii M illi H asıla
OECD : E konom ik K alkınm a ve İşbirliği Örgütü
AB : A vrupa Birliği
K N X : K onnex
K A A : K ablosuz A lgılayıcı A ğlar
K A EA : K ablosuz A lgılayıcı Eyleyici A ğlar
HVAC : Isıtma, H avalandırm a ve İklim lendirm e Sistemleri
IP : İnternet Protokolü
IPv4 : İnternet Protokolü V ersiyon 4 IPv6 : İnternet Protokolü V ersiyon 6
6LO W PA N : D üşük Güçlü K ablosuz K işisel Ağ Bağlantısı
RF : R adyo Frekansı
M Hz : M ega H ertz GHz : G iga H ertz
1. GİRİŞ
G eçm işten günüm üze, insanlar her zam an enerjiye ihtiyaç duymuştur. D ünya genelinde enerjiye olan ihtiyaç günden güne artm aktadır. Enerji kaynaklarına sahip olmak, enerjiyi yönetm ek ve enerjiyi pazara sunm ak çağım ızın en büyük iş sektörlerini oluşturm aktadır.
B irey ve sektörlerin enerjiye olan ihtiyacı günden güne artm akta ve m evcut enerji kaynakları bu artışı karşılam akta güçlük çekm ektedir. Bu durum insanoğlunu altern atif enerji kaynaklarına ve var olan enerjinin verim li kullanım ına yönlendirm ektedir.
Enerji verim liliği, binalarda yaşam standardı ve hizm et kalitesinin, endüstriyel işletm elerde ise üretim kalitesi ve m iktarının düşüşüne yol açmadan, birim veya ürün miktarı başına enerji tüketim inin azaltılm ası olarak tanım lanm aktadır (Elektrik M ühendisleri Odası, 2012). Enerji verim liliği ekonom ik büyüm e, çevre kirliliğinin azaltılm ası ve sosyal kalkınm a hedeflerinin sürdürülebilirliği ile doğrudan ilişkili olması gibi kritik nedenlerden dolayı ülke politikalarında başrolü oynamaktadır.
Enerji yoğunluğu, bölgesel bazda bir birim gayrisafi yurt içi hasıla (GSY İH ) oluşturabilm ek için gereken enerji m iktarını ölçen b ir enerji verim liliği param etresidir. B ir ülkenin enerji açısından gelişm iş olm asının en önemli şartı, enerji tüketim inin yüksek olm asına rağm en enerji yoğunluğunun düşük olm asıdır (Elektrik M ühendisleri Odası, 2012). T ürkiye’nin enerji yoğunluğu, Ekonom ik K alkınm a ve İşbirliği Ö rgütü (OECD) ve A vrupa Birliği (AB) ülkelerinin ortalam asının üzerindedir. 2023 Türkiye hedeflerinden biri de, kanun (5627 nolu kanun-02/05/2007 tarihli resmi gazete) ve ilgili yönetm elikler (28097 sayılı yönetm elik-27/10/2011 tarihli resmi gazete) gibi enerji verim liliği çalışm aları ile enerji yoğunluğunun 2011 yılına göre en az % 20 azaltılm asıdır (AB A vrupa Parlam entosu Çevre Ajansı, 2015).
1.1.Binalarda Enerji Verimliliği
B inalar, dünya genelinde enerji tüketim inin en fazla olduğu kullanım alanlarıdır. Ü lke ve bölgelere göre binalarda enerji tüketim i ve enerji verim liliği potansiyeli Çizelge 1’de verilm iştir (Shaikh ve ark., 2014). B irçok gelişm iş ülkede binalarda tüketilen enerji, birincil enerji tüketim inin % 40 ’ından fazladır. D ünya popülasyonun her geçen gün artması bina sayısını da arttırm akta ve bu artış global enerji ihtiyacı üzerinde bir baskı oluşturm aktadır. U luslararası enerji ajansı binaların enerji talebinde 2035 yılı için, % 30’lık bir artış öngörm ektedir (U luslararası Enerji Ajansı, 2013).
M evcut binalarda enerjinin etkin kullanım ı enerji tüketim ini yaklaşık %30 oranında azaltm aktadır (A vrupa Birliği Enerji K om itesi, 2006). B inalarda enerji tüketim in kaynağında ısıtma, soğutma, iklim lendirm e (HVAC), aydınlatm a birim leri ve kullanılan diğer elektrikli ev aletleri bulunur. B inalarda tüketilen enerjinin yaklaşık % 2 2 ’si aydınlatm a, yaklaşık % 48’i iklim lendirm e sistem lerinde kullanılm aktadır (Lom bard ve ark., 2008).
Çizelge 1. Ülke ve bölgelere göre binalarda enerji tüketimi ve enerji verimliliği potansiyeli.
Ülke
Binalarda Enerji Tüketimi
(%)
Verimlilik Potansiyeli (%)
A m erika 40 20 A vrupa Birliği 40-42 27-30 Çin 33 -H ollanda 34 -İran 35 -Türkiye 36 30 Y unanistan 30 -M eksika 19 -B irleşik K rallık 39 Sırbistan 50 20 Singapur 53,2 -D oğu Ü lkeleri 40 -Tüm D ünya 40 5-301.2. Kaynak Araştırması
B ina kontrol sistemi (BKS), kapalı ortam koşullarını izleyerek iklim lendirm e, havalandırm a ve aydınlatm a sistem lerinin kontrolünü sağlar. B K S ’lerin tem el amacı enerji tasarrufu sağlayarak enerji tüketim m aliyetini azaltm ak ve insanların konfor düzeyini arttırarak yaşam standartlarını yükseltm ektir.
B ina kontrol sistemi, bina içine yerleştirilm iş cihazlarla ve bu cihazlar arasındaki etkileşimi sağlam akla ilgilenir. K ullanılan cihazların sayısı onbinleri bulabilm ektedir (K astner ve ark., 2005). Cihazların sayısının artması, cihazlar arası işbirliğini yönetmeyi
güçleştirm ekte ve bu cihazlardan elde edilecek veriyi işlem eyi zorlaştırm aktadır. Bu durum binalarda otom asyonu sağlam ak için haberleşm e protokolleri kullanm ayı zorunlu kılmaktadır.
B jörn ve arkadaşları (2014) bina aydınlatm a ve iklim lendirm e birim lerini kontrol etm ek için K N X tabanlı otom asyon sistemi tasarlam ışlardır. K N X tabanlı sistem lerin m evcut binalara entegrasyonun ve bakım işlem inin zorlu olduğunu özellikle belirtm işlerdir. Bujdei ve M oraru (2011) b ir iş m erkezi için K N X tabanlı b ir otom asyon sistemi tasarlam ışlardır. Tasarladıkları sistem de kontrol paneli ve eyleyicileri K N X prokolüyle haberleştirirken, ortam daki sıcaklık, nem, parlaklık, karbondioksit, karbonm onooksit, hidrojen sülfür gazlarını izlem ek için de kablosuz algılayıcı ağları (KAA) kullanm ışlardır. Bingol ve Tasdelen (2014), web tabanlı bir ev otom asyonu üzerine çalışm a yapm ışlar, sensörler ve kontrol devreleri arasındaki haberleşm eyi PLC (Güç Hattı H aberleşm esi) kullanarak sağlam ışlardır.
G ünüm üzde tercih edilen kontrol sistem lerinde çoğunlukla kablo üzerinden bağlantı tercih edilse de, iletişim hızı, güvenlik ve pil teknolojisinde iyileşm e nedeniyle kablosuz cihazlar her geçen gün daha yaygın hale gelm ektedir. G ünüm üzde kablosuz algılayıcılar, geleneksel kablolu uygulam aların yerini alm akta veya bazı hibrid çalışm alarda da kablolu uygulam aları desteklem ektedir. K ablosuz A lgılayıcı/ Eyleyici Ağları (K AEA) teknolojisi binalarda düşük m aliyetli algılam a ve esnek kontrol çözüm leri üretm ektedir (W u ve Clements, 2007; R athnayaka ve ark., 2011).
H an ve Lim (2010) çalışm alarında kablolu iletişim protokollerinin kurulum ve bakım m aliyetlerinin fazla olduğuna dikkat çekerek, ZigB ee tabanlı akıllı ev enerji yönetim sistem lerinin tasarlanm ası ve uygulanm asını incelem işlerdir. Ö nerdikleri sistem ile binalara IEEE 802.15.4 haberleşm e teknolojisini uygulayarak binaları akıllı hale getirebileceklerini savunm uşlardır. Xu ve arkadaşları (2010) ZigB ee ve GPRS teknolojilerini kullanarak hibrit akıllı ev kontrol sistemi tasarlam ışlardır. Sistemde kullanılan m ikroelektronik cihazlar arası haberleşm e ZigBee protokolü ile sağlanırken, sistem verilerinin toplandığı m erkez ile internet sunucusu arası haberleşm e GPRS ile sağlanmıştır.
B ugün kullanılan çoğu akıllı ev sistemleri genellikle konut sakinleri taşınm adan önce binaya yerleştirilm ektedir. KAEA, kolay kurulum sağlayan portatif sistem ler olduğu için konut sakinleri taşındıktan sonra binaya entegre edilmeşi sorun teşkil etmemektedir. G hayvat ve arkadaşları (2015), 1938'de inşa edilen antik b ir evi, K A E A ’ını kullanarak akıllı bir ev haline dönüştürm üştür. Bu çalışm alarında K A E A tabanlı sistem lerin, kablo
iletim in karm aşıklığını azaltarak bina yönetim inde önemli iyileştirm eler sağladığını belirtm ektedirler. O ta ve Arens (2017), 1971 yılında inşa edilen b ir çiftlik evinin yedi odasında sıcaklık kontrollü iklim lendirm e deneyi yapm ştır. K ablosuz sıcaklık ve nem sensörlerinin değerlerine göre gerçekleştirilen iklim lendirm enin daha verim li olduğunu sayısal ifadelerle ortaya koymuşlardır.
Sukesha ve K aur (2014) çalışm alarında K A E A tabanlı bina kontrol sistem lerinin kullanıcı tarafından kabul edilebilm esi için taşım ası gereken özellikleri şu şekilde sıralamıştır:
• K ontrol sistemi tasarım ı gelecekteki güncellem eleri düşünelerek yapılmalı, • Önerilen sistem inin ekonom ik avantajları, m aliyetinin çok üstünde olmalı,
• Sistem ler yazılım ları yetkisiz erişim, özel hayat gibi sosyal ve güvenlik konularını düşünülerek tasarlanm alı,
• G erçekleştirilecek sistem in kullanıcı portfoyü çok geniş olmalı, yaşlı ve çocukların zorluk çekm eden kontrol edebileceği b ir arayüze sahip olm alıdır, • Sistem elam anları arası haberleşm e trafiği düzenlenm eli, özellikle m evcut binalar
düşünülerek yapılan tasarım ın kablosuz olmalıdır.
Y an ve arkadaşları (2011) bir okul binasını akıllı hale getirip, enerji tüketim ini ve gaz em isyonunu azaltm ayı hedeflem işlerdir. Bu am aç doğrultusunda, kontrol param etrelerinin toplanm ası, eyleyicilerin kontrol edilm esi ve bütün bunların belirli bir hiyerarşide gerçekleşm esi için K A EA tabanlı b ir sistem tasarlam ışlardır. K AEA çok fonksiyonlu bir bina kontrol sistem inin gerçekleştirm esini basitleştirir. Sun ve arkadaşları (2013), ortam a ait param etreleri takip etm ek için ‘ajan’ adı verdikleri cihazlar kullanm ıştır. H er ajan kullanım am acına göre spesifik sensörler içerm ektedir. Zhang ve arkadaşları (2015), akıllı binalarda enerji tasarrufu için bu ajanları kullanarak kablosuz bir sistem tasarlam ışlardır. Sistem lerinde m ikro elektronik cihazları kişisel ajan ve oda ajanı olarak iki gruba ayırm ışlardır. O da ajanları odaya ait verilerini toplarken, kişisel ajanlar kullanıcının arzu ettiği ortam param etrelerini alm akta görevlidir. Bu sistem özellikle ofislerde, kişiye özel ortam koşulları oluştururak konfor standartını yükseltirken, gereksiz yere enerji harcanm asını engellem ektedir. Hareket, sıcaklık, nem, parlaklık sensörleri en yaygın kullanılan sensörlerdir.
H areket sensörlerinin ‘v a r’ ya da ‘yo k ’ bilgisi ile elektrikli ev cihazları, arm atürler ve iklim lendirm e alt sistem lerinin açılıp kapanm ası sağlanabilir (Rohini ve
V enkatasubram anian, 2015). Bangali ve Shaligram (2013), K A E A ’yı kullanarak enerji verim liliği yüksek bir akıllı ev tasarım ı yapm ışlardır. Tasarladıkları sistem ile, evin sıcaklık, ışık, yangın ve hırsız alarmını izleyebilm ekte ve izlenen verileri otom atik olarak excel tablosuna aktarabilm ektedir. Syahrani ve arkadaşları (2014), binalardaki elektrikli cihazları izlem ek ve kontrol etm ek için b ir K A E A tabanlı bir sistem geçekleştirm işlerdir. Ö nerdikleri bu sistem de hareket sensörünü kullanm ışlar ve sensörden gelen veriye göre elektrikli cihazların kontrolünü program lam ışlardır. Sistem in verim lilik perform ansını üniversite binasında test etmişlerdir. Sistem in gerçekleştirildiği odanın enerji tüketim inin, m evcut kullanılan odalardaki enerji tüketim inden % 42 daha az olduğunu belirtm işlerdir.
K ablosuz hareket sensörleri ile kontrol edilen term ostatlar K A E A uygulam asının tipik bir örneğidir. Lu ve arkadaşlarının (2010) yapm ış olduğu çalışm anın sonuçlarına bakıldığında, binalarda bu tarz b ir uygulam ayla iklim lendirm e enerji tüketim i % 28 oranında azaltılabilm ektedir. A garwal ve arkadaşları (2011) gerçekleştirdikleri K A EA tabanlı bir otom asyon sistem iyle H V A C elektrik kullanım ı % 15 ve H V A C term al enerji kullanım ını da % 12 azaltıklarını belirm işlerdir. Brooks ve arkadaşları (2015) K A EA tabanlı bir uygulam ayı üniversite binasında uygulam ışlar. Y apılan yatırım ın bir yıldan daha kısa b ir sürede, elde edilen enerji tasarrufu ile yatırım cıya döneceğini gösterm iştir.
K A EA tabanlı akıllı kablosuz aydınlatm a sistem leri üzerine çalışm a yapan Iwayemi ve Yi (2010), K A EA 'ların akıllı aydınlatm a kontrolü uygulam alarında hem enerji tasarrufu hem de kullanıcı konforunda diğer sistem lere göre önem li avantajları olduğunu belirtm ektedir. Ticari ofis ve kam u binaları çalışm a alanlarındaki aydınlatm a sistem lerinin m erkezi olarak kontrol edildiği göz önüne alındığında, K A EA tabanlı aydınlatm a uygulam alarının daha dinam ik ve daha kişisel b ir aydınlatm a sağladığı yadsınm az bir gerçektir. Sharm a ve Reddy (2014), bir ofis binasının aydınlatm a sistem inin K A A ile kontrolü üzerinde çalışmıştır. Ç alışm ada kullanılan m ikro elektronik cihazlar, algılayıcı ve uzm an düğüm ler olm ak üzere ikiye ayrılmıştır. B ir algılayıcı düğüm ünü alarm (buzzer), hareket, sıcaklık sensörleri ile alıcı/verici modülü oluştururken, usta düğüm leri alıcı/verici modülü, lcd ekran ve m ikrodenetleyiciden oluşturm aktadır. Ö zellikle aydınlatm a üzerine odaklanan bu çalışm ada otom atik bir kontrolün, sistemi daha verim li hale getirdiği savunulm uştur.
Izani ve Raw i (2014), m evcut binalarda enerji israfını önlem ek ve konutlarda yaşam kalitesini arttırarak m evcut binaları daha konforlu bir akıllı bina haline getirm ek üzerinde çalışm a yapm ıştır. Bu amaçla, K A E A tabanlı bir sistem geliştirm iş, sensörleri çevresel param etreleri algılayacak şekilde yerleştirm iştir. A lgılanan param etrelere göre
sistem de gerekli olan hesaplam alar yapılm ıştır. Bu hesaplam alara göre de eyleyiciler yardım ıyla da enerji tüketen birim ler yönetilm iştir. U yguladıkları bu sistem ile bina enerji tüketim ini m inim um a indirdiklerini belirtm işlerdir. B arbato ve arkadaşları (2010) binalarda fiziksel param etreleri toplam ak ve kullanıcı davranışını izlem ek için heterojen (farklı iletim güçlerine ve farklı hücre alanlarına sahip birden çok düğüm ün oluşturduğu) bir kablosuz sensör ağı m im arisi önermişlerdir. Sensörler tarafından toplanan veriler kullanıcı profili oluşturm ak için kullanılm aktadır. Sistem tarafından sağlanan kullanıcı profilleri ve gerçek zam anlı ortam verilerine dayanarak, kullanıcı davranışını öngörebilm ekte ve ev aletlerini otom atik kontrol edebilmektedir. B u otom atik kontrol sistemi vasıtası ile enerj i tüketim ini optim ize edildiği savunulm uştur. K ullanıcının ışık şiddeti, parlaklık gibi tercihlerini tahm in etm ek için adaptif algoritm alar kullanılm aktadır. Sistem in kullanılm a süresi arttıkça sistem tahm inin başarısı artm akta ve sistem her koşula göre kendini güncellem ektedir.
1.3.Tezin Konusu, Amacı ve Literatüre Katkısı
Bu tez çalışm asında binalarda iklim lendirm e ve aydınlatm a kontrollerinin otom atik olarak gerçekleştirilm esi am acıyla K A E A tabanlı uzaktan izlem e ve kontrol sistemi tasarım ı konusu ele alınmıştır. B u doğrultuda m evcut binalara kolay entegre edilebilecek bir sistem m odeli tem el alınarak K A EA tabanlı kontrol sistemi kurulum u ve ağ içinde görev yapan düğüm lerin donanım tasarım ı incelenm iştir. A yrıca düğüm ler arasında kablosuz veri transferini organize eden haberleşm e protokolü ve donanım yazılım ı (firm w are) oluşturularak sistem tasarım ı tam am lanm ıştır.
Bu çalışm anın amacı, K A E A tabanlı bir kontrol sistemi ile binalarda enerji verim liliğinin arttırılm asıdır. B u am aç doğrultusunda, özellikle büyük ölçekli binalar (okul, üniversite, hastane, iş m erkezi, alışveriş m erkezi v.b.) için uygulam ası kolay ve ucuz maliyetli bir sistem tasarlanm aya çalışılmıştır.
G erçekleştirilen tez çalışm asının literatüre katkısı şu ana başlıklar altında aşağıda listelenmiştir:
1. B u tez çalışması ile literatürde belirtilen verim li aydınlatm a sistemleri K A E A tabanlı b ir sistem ile gerçekleştirilm iştir.
2. B u tez çalışması ile literatürde belirtilen verim li iklim lendirm e ve havalandırm a sistemleri K A E A tabanlı b ir sistem ile gerçekleştirilm iştir.
3. M evcut bina otom asyon sistem lerinin aksine, kablosuz, düşük maliyetli ve uygulanabilirliği daha b asit b ir sistem tasarlanm ıştır.
4. M evcut kablosuz otom asyon sistem lerinin etkin b ir biçim de kullanılam adığı, büyük ölçekli m evcut binalar için, alternatif bir kontrol sistemi önerisinde bulunulm uştur.
1.4.Tezin Organizasyonu
Tez çalışması beş bölüm den oluşm aktadır. Birinci bölüm de, ilk olarak neden enerji verim liliğine ihtiyaç duyulduğu ve binalarda enerji verim liliği potansiyeli nüm erik değerler ile açıklanm ıştır. A rdından sırasıyla bina kontrol sistemleri ve K A E A tabanlı sistem ler ile ilgili kaynak araştırması verilm iştir. Tezin amacı ve literatüre katkısı açıklanm ıştır.
İkinci bölüm de, K AEA konusu geniş kapsam da incelenm iştir. K AA ile KAEA arasındaki tem el farklardan bahsedilm iştir.
Ü çüncü bölüm de, binalarda kontrol sistem leri ve haberleşm e protokolleri gibi bu tez çalışm asının odaklandığı anahtar konular üzerinde literatür araştırm asına dayanan tem el bilgilere yer verilm iştir.
D ördüncü bölüm de, K A E A ile binalarda otom asyon sistem inin sağlanm ası ve enerji verim liliğinin arttırılm ası planı anlatılmıştır. Bu am aç doğrultusunda, kullanılan K A EA m im arisi, düğüm yapıları, düğüm elektronik devre şemaları ayrıntılı b ir biçim de açıklanm ıştır.
Beşinci bölüm de, gerçekleştirilen sistem ile m evcut kablolu ve kablosuz sistem karşılaştırılm ıştır. Son olarak bu tez çalışması ile ilgili genel değerlendirm e yapılarak ve gelecekte yapılabilecek çalışm alara ışık tutulm uştur.
2. KABLOSUZ ALGILAYICI/EYLEYİCİ AĞLAR
Ö zellikle 2000 ‘li yıllardan sonra haberleşm e ve elektronik alanında yaşanan gelişm eler düşük m aliyet ve enerji tüketim i ile fonksiyonel elektronik ekipm anların tasarlanm asının önünü açmıştır. A kyildiz ve arkadaşları (2002) tarafından önerilen K A A ; ortam daki sıcaklık, nem, parlaklık, basınç, ivme, ses, gürültü seviyesi, kirlilik, toprak nemi, anlık hız, akım, yön, boyut gibi fiziksel ya da çevresel koşullarını takip etm ek için çeşitli sensör kullanan ve birbirinden bağım sız çalışan düğüm lerden oluşur.
K A A ’lar algılayıcı düğüm ler (AD) ve çıkış düğüm ünden (ÇD) oluşmaktadır. A D ’ler bulundukları ortam da fiziksel param etreleri Ç D ’ye kablosuz olarak iletirler. A D ’ler saha üzerine rastgele yada planlı olarak yerleştirilebilirler. Şekil 2.1 ’de gösterildiği gibi A D ’lerin iki tem el görevi vardır; fiziksel param etreleri toplam ak ve kom şu A D ’den gelen veriyi çıkış birim ine iletm ektir. Çıkış düğüm ü A D ’lerden gelen verileri kontrol düğüm e (KD) yada m erkez düğüm e (M D) ileten ağ geçididir (Akyildiz ve Vuran, 2010).
Algılayıcı Düşüm
Şekil 2.1. Kablosuz algılayıcı ağlar kullanılarak dağınık algılama
K A A ’larının kullanım amacı uzaktan izlemedir. H erhangi bir eyleyici içerm ediğinden dolayı, sadece K A A kullanılarak bir sistem in yada prosesin kontrolü m üm kün değildir. A kyildiz ve K asim oğlu (2004) çalışm alarında, K A A ’larına eyleyici düğüm ler entegre ederek literatüre kablosuz algılayıcı/eyleyici ağlarını (KAEA) tanıtm ışlardır. Şekil 2 .2 ’de genel amaçlı b ir K A E A uygulam ası gösterilm iştir.
K A E A düğüm lerinin bireysel yetenekleri sınırlıdır. Bu düğüm ler kablosuz ağ yardım ıyla kooperatif bir şekilde aynı am aç için çalıştıklarında son derece güçlü b ir bağ ortaya çıkar. KAEA, kullanıldığı sistem e uzaktan izlem e yanında kontrol yeteneği de kazandırm aktadır. K A E A ile anlık ölçüm yapabilen, alınan ölçüm değerlerine göre karar verebilen, bu kararlara göre prosese m üdahale edebilen bir sistem kurm ak ve prosesi otom atik olarak yönetm ek kolay hale gelmiştir. Bu kolaylık K A E A ‘nın birçok alanda farklı uygulam alarda kullanılm asını sağlam ıştır (V erdone ve ark., 2008).
Şekil 2.2. Tipik kablosuz algılayıcı/ eyleyici ağları
K A E A uygulam alarında kullanılan A D ’ler Şekil 2 .3 ’te gösterildiği gibi, m ikrodenetleyici, alıcı- verici, güç kaynağı ve sensör gibi ana bileşenlerden oluşmaktadır. D üğüm üzerindeki tüm birim lerin enerji ihtiyacını güç birim i karşılar. A D ’lerin çalışması için gerekli olan enerji üzerlerinde bulunan pil ile sağlanır. Bazı uygulam alarda pillerin güneş paneli ile şarj edilm esi ve böylece çalışm a öm ürlerinin uzatılm ası müm kündür. Parlaklık, hareket, basınç, sıcaklık, nem, toprak nem, hava kalitesi ve çeşitli gaz sensörleri kullanılabilir. B ir A D ’de kullanılan sensör sayısı değişiklik gösterebilir. Sensörlerin ortam dan topladığı sinyaller dijital yada analog olabilir. Dijital sinyaller algılayıcı
düğüm lerden m ikrodenetleyici birim ine doğrudan iletilirken, analog sinyaller analog dijital dönüştürücü (A nalog D igital C onverter- A D C) ile dijital sinyale dönüştürüldükten sonra iletilir.
Şekil 2.3. KAA algılayıcı düğümü ana bileşenleri
Şekil 2.4 ’de eyleyici düğüm ün ana bileşenleri gösterilm iştir. Eyleyiciler, aldıkları elektrik sinyal ile m ekanik veya elektronik birim leri kontrol eden cihazlardır (A kyildiz ve K asim oglu, 2004). Eyleyicilerin verim li b ir şekilde kontrol edilebilm esi için röle, transistör, triyak, m osfet gibi elektronik ekipm anlar kullanılm alıdır.
Tüm algılayıcı ve eyleyici düğüm lerinde m ikrodenetleyicinin görevi düğüm üzerinde hesaplam a yapm ak ve düğüm ü yönetm ektir. M ikrodenetleyiciler düğüm ler arası veri iletişim inin düzenlenm esini sağlam aktadır. M ikrodenetleyici, sensör tarafından sahadan toplanan verileri ağa gönderm eden birleştirir. B u veri birleştirm e (data aggregation) işlemi sayesinde ağ trafiği düşürülür, haberleşm e birim inde boşa enerji tüketim i azaltılır (A boelaze ve Aloul, 2004; Soy, 2013).
Şekil 2.5. KAEA’larda otomatik mimariye bir örnek.
K A E A ’larda fiziksel m im ari otom atik ve yarı otom atik olarak ikiye ayrılmaktadır. Şekil 2.5 ’te gösterildiği üzere, A D ’lerden alınan verilerin direk E D ’ler tarafından alınıp işlenm esi otom atik mimari ile gerçekleştirilir. O tom atik m im arinin en önemli avantajı düşük gecikm e süresidir. O tom atik m im arinin kullanılabilm esi için, E D ’ler ile A D ’ler arası m esafenin kısa olm ası gerekir. M esafenin uzam ası veri iletim ini ve koordinasyonu zorlaştırm aktadır. D aha uzun m esafelerde veri iletim i Şekil 2 .6 ’da gösterildiği gibi yarı otom atik m im ari ile sağlanır. A D ’ler tarafından toplanan veriler ilk olarak çıkış düğüm üne gönderilir. Çıkış düğüm ünde değerlendirm e yapılır. Y apılan değerlendirm e sonucunda E D ’lere sinyal gönderilerek eyleyiciler harekete geçirilir. Yarı otom atik m im aride gecikm e süresi otom atik mimari kadar düşük değildir (A kyildiz ve K asim oğlu, 2004).
3. BİNA KONTROL SİSTEMLERİ
Bina kontrol sistem leri (BKS), binaların ısıtma, soğutma, iklim lendirm e, havalandırm a, aydınlatm a ve güvenlik alt sistem lerini takip edip, kontrol eden ve gerektiğinde kullanıcıya rapor halinde sunabilen uzaktan erişimli sistemlerdir. B inalarda kontrol sistem lerinin kullanım am açları şunlardır;
• Enerji tüketim ini m inim um a düşürmek,
• Enerji tüketen sistemleri takip edebilm ek, uzaktan erişim sağlamak, • Enerji tüketen sistem lerin analizini yapabilm ek,
• Enerji tüketen sistem lerin kontrolünü kolaylaştırm ak,
• Elektronik ve m ekanik cihazların birbirleriyle işbirliği içinde çalışmasını sağlamak,
• Olası b ir arıza veya tehlike anında bilgilendirilm ek • A rıza veya tehlikenin büyüm em esi için önlem almak, • B inalardaki güvenlik zafiyetini m inim um a indirgemek.
3.1.Binalarda Kontrol Sistemi Kavramları
3.1.1.
Binalarda Kontrol Sistemi Katmanları
B K S ’leri uygulam a katmanı, otom asyon katm anı ve yönetim katm anı olarak üç katm ana ayrılabilir. U ygulam a katm anı algılayıcı ve eyleyicilerin yer aldığı en alt katmandır. Orta katm an olan otom asyon katm anında ölçüm verileri işlenir, kontrol döngüleri yerine getirilir. E n üst katm an olan yönetim katm anı ise eylem kararlarının alındığı, verilerin kullanıcıya sunulduğu, kayıt işlem inin gerçekleştirildiği ve sistem in yönetildiği katm andır (Fernbach ve ark., 2011).
3.1.2. Haberleşme Ağları
U ygulam a katm anında bulunan elem anlar (kontrolör, algılayıcı ve eyleyici) arası etkileşim gerçek zam anlı saha veri yolu (fieldbus) ile gerçekleştirilir. Bu şebeke sistemi haberleşm e kalitesini arttırmayı ve kurulum m aliyetini azaltm ayı hedefler. A lgılayıcıdan gelen sinyal ağa iletilm eden kontrol edilir. G ereksiz veriler ağa sunulm ayarak ağ meşgul edilm ez ve enerji kaybı önlenm iş olur (Hawke, 2016).
3.1.3. Algılayıcılar, Eyleyiciler ve Kontrolörler
BKS uygulam a katmanı fiziksel olarak algılayıcı, eyleyici ve kontrolör kısm ından oluşur. A lgılayıcılar, ölçm üş olduğu fiziksel büyüklüğü elektrik sinyaline dönüştüren elem anlardır (A kyildiz ve ark, 2002). Eyleyiciler, aldığı kontrol sinyaline göre fan, röle ve selenoid vana gibi cihazların çalışm asını kontrol eden birim dir (A kyildiz ve K asim oglu, 2004). Çoğu uygulam alarda, algılayıcıdan alınan veriler direk eyleyiciye iletilm ez (Aktaş, 2012). K ontrolörlerde ham veri işlenir, yorum lanır, ardından eyleyiciye yapm ası gereken işlem ile ilgili kom ut gönderilir.
3.2.Bina Kontrol Sistemi Protokolleri
B ina kontrol sistem lerinde saha cihazları ile kontrolör arasında haberleşm enin düzenlenm esi için KNX, LonW orks, ZigBee, B A C net gibi haberleşm e protokolleri kullanılır. B u haberleşm e protokollerine ait tem el özellikler Çizelge 2 ’de verilm iştir (K um ar ve ark., 2016).
Çizelge 2. Yaygın haberleşme protokollerinin temel özellikleri
Protokol
Düğüm
Sayısı
Güç
Tüketimi
Mesafe (m)
İletişim
Hızı
Zig-Bee 65000 D üşük 10-100 256 kb/s Z-w ave 232 D üşük 30-300 200 kb/s Bluetooth 8 Y üksek 10 1 M b/s 6Lowpan 2 4 D üşük 10-100 256 kb/sW i-Fi 255 Çok Y üksek 100 54 M b/s
3.2.1. KNX
EIB (European Installation Bus) olarak bilinen K NX , 1999 yılında ortaya çıkan akıllı bina yönetim sistemi protokolüdür. 15 farklı üreticinin b ir araya gelerek birlikte oluşturduğu, birçok farklı ürünün aynı dili konuşabildiği açık veri yolu standardıdır. K N X ile farklı üreticilere ait ürünler, aynı veri yoluna bağlandıkları takdirde kendi aralarında veri transferi yapabilm ektedir. K N X sistemi Şekil 3.1’de gösterildiği gibi kablolu veri iletimi sağlayan bir protokol olup, iki telli bir veri yolu hattı, bu hatta 24V DC enerji veren bir güç kaynağı, algılayıcı ve eyleyicilerden oluşmaktadır. Sistem in çalışması için
m erkezi b ir kontrolöre ihtiyaç duyulm am aktadır. K ontrol ünitesi olm aksızın sistemi oluşturan elemanlar, veri hattını kullanarak birbirlerine ileti gönderebilir. Bu da sistem üzerinde çok yaygın b ir otom asyon im kanı sağlam aktadır (N eugschw andtner ve ark., 2007).
Şekil 3.1. Tipik KNX protokolü kullanımına bir örnek.
3.2.2. ZigBee
ZigB ee kablosuz haberleşm e protokolü; düşük maliyet, düşük data aktarım hızı, kısa m esafe veri iletim i ve özellikle geniş kablosuz algılayıcı eyleyici ağlarında uzun pil ömrü sağlam ak amacı ile standartlaşm ış uluslararası b ir haberleşm e protokolüdür (Kıral, 2014). ZigBee için kapsam a alanı, W i-Fi ile kıyaslandığında daha dardır. Kapalı ortam larda Z igB ee’nin kapsam a alanı ev ve ofis içinde haberleşm ek için yeterli olup yaklaşık 30 metreyi bulm aktadır. ZigB ee güç tüketim i W i-Fi ile kıyaslandığında, daha az enerji tüketip daha az radyasyon yaym akta ve daha dar bir frekans bandında çalışabilm ektedir (Kıral, 2014).
ZigB ee protokolünde Şekil 3.2 ’de gösterildiği gibi ZigB ee koordinatör (ZC), Z igB EE yönlendirici (ZR) ve ZigBee son aygıt (ZED) olm ak üzere 3 tem el araç bulunur. ZC ağ bağlantılarını düzenleyip, diğer ağlarla veri aktarımı sağlayan, bilgi depolam a özelliğine sahip cihazdır. ZR, ZED ile ZC arasında veri akışını sağlayan cihazlardır. ZED ise haberleşm e ve depolam a yeteneği kısıtlı olan, algılam a ve m üdahale etme yetisi olan cihazdır (D om ingues ve ark., 2016).
ZR ZED
ZC
/
Şekil 3.2. ZigBee temel araçları
3.2.3. 6LoWPAN
6Low PA N (IPv6 over Low -Pow er W ireless Personal A rea N etw orks) kablosuz düğüm lerin kaynak sınırlam a engelinin üstesinden gelm ek üzere tasarlanm ış iletişim protokolüdür. B ina otom asyonlarında bulunan kontrol düğümler, kullanılan algılayıcıları ve eyleyicileri IP (Internet Protocol A dress - İnternet Protokol adresi) num aralarına göre tanımlar. K ullanılan algılayıcı ve eyleyicilerin sayısının her geçen gün artm ası, yeni IP num aralarına ihtiyacı doğurm uş IP v4’ten (İnternet protokolü versiyon 4) IP v6’ya (İnternet protokolü versiyon 6) geçişin kapısını aralamıştır.
IPv4 ile adresler 32 b it uzunluğunda olup, 232=4.294.967.296 adet adres türetilebilm ektedir. IP v6’yi IP v4’ten ayıran en tem el özellik bit sayısı olup, adresler 128 bit uzunluğundadır. B u genişlem e ile internete bağlı cihaz sayısı teorik olarak hesaplandığında 2 128 = 3,4x1038 sayısına denk gelm ektedir (Khateeb, 2013). 6LoW PA N tem el olarak, IP yığını ve ağ katm anları arasında b ir adaptasyon katm anı oluşturur. Bu katm an ile kablosuz ağlarda,veri alış verişi için daha az güç tüketilirken, yeni nesil IPv6 kullanabilm ek için gerekli adaptasyon sağlanm ış olur (Kalyoncu, 2013).
3.3. Ağ Topolojileri
Topoloji, bir cihazın ağa nasıl yerleşeceğini, ağa nasıl bağlanacağını ve bu ağda veri iletim inin nasıl gerçekleşeceğini belirleyen genel yapıdır (Nuşin, 2014). Yol (Bus), çizgi, halka, yıldız, ağaç ve örgü haberleşm ede kullanılan başlıca ağ topolojilerdir (Yakut, 2012). K A E A uygulam alarında yıldız (star), örgü (m esh) ve küm e ağaç (cluster tree) topolojileri kullanılır. B u topolojilerde düğümler, basit ve gelişm iş olarak iki fonksiyonel grupa ayrılmıştır. G elişm iş düğüm lerin basit düğüm lerden farkı yönlendirici düğüm ve koordinatör düğüm olabilm esidir. Y önlendirici düğümler, basit düğüm lerin geçit noktası olarak görev yapan gelişm iş düğümlerdir. G elişm iş düğüm lerden biri koordinatör olarak ağı yönetm ektedir (Soy, 2013).
Y ıldız topolojisi, Şekil 3 .3 ’de gösterildiği gibi ağ içindeki basit düğüm lerin, tek bir koordinatör düğüm ünü geçit olarak kullandığı tek atlamalı ağ yapısıdır. Y ıldız topolojisinde basit düğüm ler ile koordinatör düğüm ler arasındaki m esafe kısadır(30 m- 100 m). H aberleşm e m esafesinin kısa olması, harcanan güç tüketim ini de azaltm aktadır. Bu sebeple diğer topolojilere nazaran, yıldız topolojisi en düşük toplam güç tüketim ini sağlam aktadır. Y ıldız topolojisinde düğüm ler arası veri aktarımı tek hat üzerinde gerçekleşm ekte, alternatif bir veri yolu bulunm am aktadır. A yrıca m erkezde oluşacak ufak bir aksaklık, tüm ağın çalışm asını sekteye uğratm aktadır (Crossbow, 2007).
Koordinatör Düsünı
Algılayıcı
Düşüm
Şekil 3.4. Örgü topoloji
Örgü topolojisi, yıldız topolojisinin aksine tüm düğüm lerin yönlendirm e işlem lerini yerine getirebilen çoklu-atlam alı bir ağ sistemidir. Örgü topolojisinin en büyük avantajı Şekil 3 .5 ’de görüldüğü gibi veri yolunun birden fazla alternatifi olmasıdır. Bu sayede sistem de yaşanacak tıkanıklar m inim ize edilir (Yakut, 2012) .
K üm e ağaç topolojisi ağdaki düğümleri, basit düğüm ler ve gelişm iş düğüm lerden (yönlendirici düğüm ) oluşan küm elere ayıran ağ yapısıdır. B ir küm edeki b asit düğümler, Şekil 3.5’te gösterildiği gibi, yönlendirici üzerinden koordinatörle haberleşm e gerçekleştirirler. K üm e ağaç topolojisinin en büyük avantaji ise, b ir küm ede oluşan aksaklığın, diğer küm eleri ve sistemi etkilem em esidir (N agarajan ve Ganesh, 2014).
3.4. Haberleşme Protokolü
H aberleşm e protokolü düğüm ler arası veri transferinin güvenilir şekilde yapılm ası, hata kontrollerinin gerçekleştirilm esi, eksiksiz olarak alındığının bildirilm esi gibi standart fonksiyonları tanım layan kurallar topluluğudur (ElGholam i ve ark., 2012). K A E A ’nın verim li çalışabilm esi için kullanım am acına uygun b ir haberleşm e protokolü uygulanm alıdır.
K A E A ’larda düğüm lerin paket gönderim i periyodik (time driven), olay tabanlı (event driven) veya sorgu tabanlı (query based) olm ak üzere üç farklı şekilde gerçekleşm ektedir. A D ’lerin belirli bir periyoda göre paket gönderm esi periyodik gönderim m odeline, fiziksel ortam da önceden tanım lanan bir olayın gerçekleşm esi durum unda (sıcaklık, nem ve parlaklıktaki ani değişim gibi) paket gönderm esi ise olay tabanlı gönderim m odeline örnek verilebilir. K D ’nin A D ’leri sorguladığında paket gönderm esi ise sorgu tabanlı m odüle örnektir (Tilak ve ark., 2002).
Periyodik gönderim modeli fiziksel ortam daki en ufak değişikliğin bile gözlenm esini sağlarken, düğüm lerin haberleşm e için harcadığı enerji tüketim ini arttırm aktadır (Uros ve ark., 2008). Olay tabanlı gönderim m odelinin verim li çalışması için, fiziksel ortam daki olayların çok iyi tanım lanm ası gerekm ektedir. Tanım lam anın aşırı fazla olm ası ağın sürekli gönderim m odeline benzer çalışm asına, az olm ası ağın ortam daki değişim lere karşı duyarsız kalm asına neden olur. Sorgu tabanlı gönderim m odelinde de sorgulam a periyodunun iyi ayarlanm ası gerekm ektedir. Periyodun artması haberleşm e enerji tüketim ini arttırırken, azalması da fiziksel ortam daki değişim lere karşı hassasiyeti azaltm aktadır.
K A A için IEEE 802.15.4 standardı fiziksel katm an ve M A C katm anı özelliklerini tanım lam aktadır. Fiziksel katman, K A A üzerindeki verilerin iletişim inden sorumludur. H aberleşm e frekansı, veri hızı, uyku m odu gibi özelliklerin ayarlanm ası fiziksel katm an üzerinde gerçekleştirilir. Fiziksel katm an protokol veri birim i paket yapısı Çizelge 3 ’te gösterilm ektedir (Chen ve ark., 2008).
Çizelge 3. Fiziksel katman protokol veri birimi paket yapısı D öngüsel Başlangıç işareti Adres (3-5 byte) Veri (1-32 bayt) A rtıklık D enetim i (CRC)
Başlangıç işareti alanı paket yapısının giriş bölüm ünü oluşturur. Bu işaret alıcı ve vericinin senkronize olm asını sağlam aktadır. A dres alanı, alıcının adresini içermektedir. H er düğüm ün kendine özel bir adresi vardır. D üğüm ler gelen veriyi işlem eden önce kendilerine gelip gelm ediğini öğrenm ek için adres alanını kontrol ederler. D üğüm ün adresi ile gelen verinin adresi aynı ise veri iletimi gerçekleştirilir. V ericinin ağa ilettiği veri ile alıcının ağdan aldığı verinin aynı olup olm adığı döngüsel artıklık denetimi (Cylic redundancy check, CRC) ile kontrol edilir. CRC yöntem inde iletim den önce, veriler önceden tanım lanm ış toplama, çıkarma, karesini alm a gibi b ir fonksiyonlardan geçirilir. Fonksiyon sonucu paket yapısındaki CRC alanına yazılır. Alıcı veriyi alır alm az aynı fonksiyonu uygular ve hesapladığı sonucu CRC alanındaki değerle karşılaştırır. H esaplanan ile alınan değerlerin aynı olması verilerin hatasız iletildiğinin göstergesidir (Ullah ve ark., 2013).
M A C alt katm anında düğüm lerin kanal erişimleri ve paket gönderim leri kontrol edilir. K A E A uygulam alarında düğüm lerin enerji tüketim lerinin m inim um a indirgenm esi için M A C katmanı protokolü tasarım ı üzerinde yoğunlaşılm ası gerekm ektedir (Al- A nbagi ve ark., 2013). M A C katm anı protokolleri zam anlam a tabanlı ve rekabet tabanlı olm ak üzere iki grupta incelenir (K redo ve ark., 2007). Zam anlam a tabanlı m od kılavuzlu (uyarı sinyali kullanan) mod, rekabet tabanlı m od ise kılavuzsuz (uyarı sinyali kullanm ayan) m od olarak da bilinm ektedir (ElGholam i ve ark., 2012).
Zam anlam a tabanlı M A C protokollerinde zam an bölm eli çoklu erişim (TDM A- Time D im ension M ultiple Access) tekniği kullanılır. TD M A belirli sayıdaki kullanıcının tek bir kanala farklı zam an dilim lerinde (slot) erişm esini sağlayan kanal erişim tekniğidir (W ang ve ark., 2016). TD M A tekniği ile düğüm ler için zam anlam a planı oluşturulur. K oordinatör düğüm tarafından yayınlanan zam anlam a planı ile her bir düğüm ünün paket göndereceği zam an dilimi belirlenir. Bu sayede çarpışm a (collision) problem i yaşanmaz. D üğüm ler kendi zam an dilimleri dışında diğer zam anlarda uyku (sleep) m odunda tutulm asıyla ağın çalışm a ömrü uzatılır (A nw ar ve ark., 2015).
R ekabete dayalı m odda herhangi bir uyarı sinyali kullanılm am aktadır. Kanal erişimi için taşıyıcı duyarlı çoklu erişim (C arrier Sensing M ultiple Access, CSM A) tekniği kullanılm aktadır. C SM A ile b ir düğüm ağa paket gönderm eden önce haberleşm e kanalını dinler, kanal başka bir düğüm tarafından kullanılm ıyorsa ağa paket gönderir (Dholey, 2012). CSM A tekniğinin en önem li dezavantajı bazı düğüm lerin paket gönderim inin algılanam am asıdır. Bu problem aynı anda birden fazla düğüm ün paket gönderm esine ve çarpışm a problem inin oluşm asına neden olm aktadır (W ang, 2016). Bu problem in çözüm ü için çarpışm a sakınm alı taşıyıcı duyarlı çoklu erişim (CSM A/CA) tekniği geliştirilm iştir (A kyildiz ve Vuran, 2010).
DİFS 1 " RTS Data SIFS CTS SIFS SIFS ACK
Şekil 3.6. CSMA / CA tekniğinde haberleşme
Şekil 3 .6 ’da, CSM A /CA tekniğinde haberleşm e görsel olarak verilm iştir. DIFS (distributed interfram e space) çerçeveler arası beklem e süresini ifade etmekte, ve bazı çerçevelerin diğerlerinden daha sonra hatta gönderilm esini ayarlam ak için kullanılm aktadır. SIFS (short interfram e space) ise bazı çerçevelerin daha önce hatta gönderilm esini sağlam ak ayarlanan süre miktadır. CSM A /CA tekniğinde çakışm anın önlenmesi bazı sinyaller ile sağlanır. Veri transferinden hem en önce kanala iletilen sinyaller, kullanım am açları ve sinyallerin içerikleri Çizelge 4 ‘de verilm iştir;
Çizelge 4. CSMA/ CA sinyalleri, kullanım amaçları ve sinyal içerikleri
Sinyal
Kullanım Amacı
Sinyal İçeriği
RTS (R equest to Send)
V ericiden alıcıya alıcının uygun olup olm adığını sorgulam ak için kullanılan sinyaldir.
G önderilecek verinin transfer süresi, alıcının adresi ve göndericinin adresini içerir.
CTS (C lear to Send)
A lıcıdan vericiye RTS sinyalinin yanıtı olarak gönderilm ektedir.
G önderilecek verinin transfer süresi ve alıcının adresi içerir.
ACK
(A cknow ledgem ent)
V erinin alındığının teyidi için gönderilen
sinyaldir.
4. SİSTEMİN GERÇEKLEŞTİRİLMESİ
4.1.Kontrol Probleminin Tanımlanması
B u tez çalışm asında bina iklim lendirm e ve aydınlatm a sistem lerinin enerji verim liliğini arttırm ak için K A E A tabanlı bir sistem gerçekleştirilm iştir. G erçekleştirilen sistem m odeli çevresel param etreleri ölçen düşük maliyetli algılayıcı düğüm ler (AD), gerekli eylemleri yerine getiren eyleyici düğüm ler (ED), koordinasyonu sağlayan kontrol düğüm ünden (KD) ve sistem sonuçlarının kullanıcıya sunulduğu m erkez düğüm ünden (M D) oluşmaktadır. G erçekleştirilen bina otom asyon modeli Şekil 4 .1 ‘de gösterilm iştir.
Şekil 4.1. Gerçekleştirilen bina otomasyon modeli
K A EA tabanlı bina iklim lendirm e sistem inin geliştirilm esi donanım tasarım ı ve yazılım tasarım ı olm ak üzere iki kısım da gerçekleştirilm iştir. D onanım tasarım ı için öncelikle, sistem de kullanılacak sensörler, eyleyiciler, m ikrodenetleyiciler ve haberleşm e m odülleri araştırılm ış, düşük enerji tüketim i ve düşük m aliyetli elektronik elem anlar kullanılm ası tercih edilmiştir. Seçilen elem anların saha üzerinde istenen şekilde çalışması için gerekli yazılım geliştirilm iştir. Y azılım lar derleyicide derlenm iş ve sim ülasyon program ında simüle edilmiştir. D aha sonra kodlar m ikrodenetleyiciye aktarılm ış ve sistem in çalışması test edilmiştir. Test aşam asında dikkat edilen param etreler şu şekildedir;
• A D ’nin ortam parlaklık değerini doğru ve eksiksiz algılaması: A lgılanan ortam parlaklık değeri Luxm etre cihazıyla doğrulanm ıştır.
• A D ’nin ortam sıcaklık ve nem değerini doğru ve eksiksiz algılaması: A lgılanan sıcaklık ve nem değeri çok fonksiyonlu ölçüm cihazı ile doğrulanm ıştır.
• A D ’nin elde ettiği verilerin K D ’ye doğru ve eksiksiz iletimi: A D ’nin elde ettiği veriler K D ’ye iletimi, her iki düğüm de bilgisayar seri portuna bağlanarak kontrol edilmiştir.
• K D ’nin gönderdiği verilerin E D ’ye doğru ve eksiksiz iletimi: K D ’nin elde ettiği verilerin E D ’e iletimi, her iki düğüm de bilgisayar seri portuna bağlanarak kontrol edilmiştir.
• E D ’nin aldığı veriler ile eyleyicileri kontrol etmesi: E D ’nin aldığı verilere göre eyleyiciye sinyal gönderm esi, avom etre ile kontrol edilm iş ve doğrulanm ıştır. • K D ’nin yada M D ’nin bilgisayar ortam ına ve İnternet sunucusuna aktardığı
verilerin tam ve eksiksiz olması: K D ’nin yada M D ’nin bilgisayar ortam ına aktardığı verilerin doğruluğu seri port ekranıyla kontrol edilmiştir.
Ortam sıcaklığı ve nemi, aydınlatm a seviyesi ile ilgili fiziksel büyüklükleri ölçm ek üzere A D ’ler kullanılm ıştır. Sıcaklık ve nem durum unu takip eden AD üzerinde sıcaklık ve nem sensörü, aydınlatm a seviyesini belirleyen AD üzerinde ise parlaklık sensörü bulunm aktadır.
A D ’ler tarafından alınan ölçüm değerleri ortak term inal görevi üstlenen K D ’ye gönderilir. K ullanıcı tarafından belirlenen ayar değerleri ve alınan ölçüm değerleri KD üzerinde karşılaştırılır. G erçek ve istenen değerler arasındaki farktan kaynaklanan hata değeri, izin verilen tolerans eşiğini aştığında KD tarafından gönderilen kontrol sinyalleri ile ilgili ED harekete geçirilir. B ina aydınlatm a ve iklim lendirm e kontrol sistemi kapalı döngü blok diyagram ı Şekil 4 .2 ’de gösterilm iştir.
Şekil 4.2. Önerilen sistem kapalı döngü blok diyagramı
Ö nerilen sistem m odelinde iklim lendirm e ve aydınlatm a olm ak üzere iki temel kontrol üzerine odaklanılm ıştır. Sistem içinde iklim lendirm e ve aydınlatm a kontrolleri birbirlerinden bağım sız iki farklı problem olarak değerlendirilm iştir. Bu am açla sisteme iklim lendirm e ve aydınlatm a kontrolü gerçekleştirecek eyleyiciler eklenecek şekilde tasarım yapılm ıştır. Eyleyici olarak iklim lendirm e kontrolü için fan motoru, ısıtm a ve soğutm a ünitesi, aydınlatm a kontrolü için RG B LED şerit sürücü kullanılm ıştır.
G erçekleştirilen sistem de ED ile bağlantılı eyleyici cihazlar, bina içinde dağıtılm ış AD ile bağlantılı sensörler tarafından sahadan toplanan veriler değerlendirilerek kontrol edilmektedir. İklim lendirm e için kontrol edilen param etreler fan hızı ve sistem çalışm a modudur. O rtam sıcaklık ve nem miktarı gibi giriş param etreleri gözetlenerek fan m otorları hız değerleri m aksim um devir sayısına göre belirli b ir yüzde oranında artırılıp azaltılmıştır. B ina içi sıcaklık değeri ve kapalı ortam daki nem m iktarı, kullanıcının istem iş olduğu aralıkta değil ise, çalışm a m odu ısıtm a veya soğutm a gerçekleştirilecek şekilde ayarlanır.
A ydınlatm a için kontrol edilen param etreler ise ortam parlaklığıdır. Ortam aydınlık seviyesi gözetlenerek aydınlatm a arm atürlerini kontrol eden sürücüler kontrol edilm iş ve kullanıcının istediği parlaklık değeri ayarlanmıştır.
İstenilen kontrol fonksiyonlarının gerçekleştirilebilm esi için m ikrodenetleyici devresi, sıcaklık sensörü, nem sensörü ve parlaklık sensörü, dokunm atik ekran ve haberleşm e m odülleri gibi donanım lara ihtiyaç duyulm uştur.
4.2. Kullanılan Donanımların Seçimi
4.2.1. Mikrodenetleyici Geliştirme Kartı
B u çalışm ada prototip geliştirilirken geliştirm e kartları kullanılm ış ve testler bittikten sonra kart tasarım ı yapılm ıştır. Sistem içinde göm ülü kontrol birim i görevini üstlenm ek üzere Atmel firm asının A Tm ega 328 ve A Tm ega 2560 m ikrodenetleyicileri seçilmiştir. Atmel A V R ailesinin üyeleri olan bu iki m ikrodenetleyici hızlı çalışmaları am acıyla RISC (reduced instruction set com puting) kom ut m im arisinde tasarlanm ışlardır.
(PCINT14/RESET) PC6 d (PCINT16/RXD) PDO C (PCINT17/TXD) PD1 C (PCINT18/INT0) PD2 C (PCINT19/OC2B/INT1) PD3 C (PCINT20/XCK/T0) PD4 C V C C C G N D C (PCINT6/XTAL1/TOSC1) PB6 C (PCINT7/XTAL2/TOSC2) PB7 C (PCINT21/OCOB/T1) PD5 C (PCINT22/OCOA/AINO) PD6 C (PCINT23/AIN1) PD7 C (PCINTO/CLKO/ICP1) PBO C W 1 28 2 27 3 26 4 25 5 24 6 23 7 22 8 21 9 20 10 19 11 18 12 17 13 16 14 15 □ PC5 (A DC5/SCL/PCINT13) □ PC4 (ADC4/SDA/PCINT12) □ PC3 (ADC3/PCINT11) □ PC2 (ADC2/PCINT10) □ PC1 (ADC1/PCINT9) □ PCO (ADC0/PCINT8) □ GND □ AREF □ AVCC □ PB5 (SCK/PCINT5) □ PB4 (MISO/PCINT4) □ PB3 (MOSI/OC2A/PCINT3) H PB2 (SS/OC1B/PCINT2) □ PB1 (OC1A/PCINT1)
Şekil 4.3. ATmega 328 pin görünüş şeması
E D ’ler üzerinde kullanılan A Tm ega 328 m ikrodenetleyicisi Şekil 4 .3 ’te gösterilm iş olup özellikleri aşağıda verilm iştir;
• Y üksek perform ans, düşük güç tüketim i, • RISC kom ut seti,
• 32 x 8 genel am açlı çalışan yazm açlar (registers), • 20 M hz çalışm a frekansı,
• 32 KB program lanabilir flash program belleği, • 1 KB EEPRO M ,
• 2 KB dahili SRAM, • M aster/ Slave SPI arayüz, • 6 PW M kanalı,
• 6 kanal 10 bit çözünürlüklü ADC, • A nalog karşılaştırıcı,
• Program lanabilir W atchdog zam anlayıcı,
• 100.000 defa program hafızasına silm e/yazm aya izin verme, • 2-tel arayüzü,
• K esmeler,
• 23 program lanabilir giriş-çıkış pini, • 1.8 V-5.5 V çalışm a gerilimi.
c *=■ « î S 8
(OCOB) PG5 Q (RXD0/PCINT8/PDf) PEO [ 2 (TXIW PDO) PE1 [ 3 (XCK<VAINO) PE2 r ş (OC3A/AIN1) PE3 [ £ (OC3B/1NT4) PE4 [ 6 (OC3C/INT5) PE5 (T3/INT6) PE6 [ 8 0CP3/CLKO/1NT7) PE7 [ 5 (SS/PCINTO) PBO [ÎÖ (SCK/PCINT1) PB1 [ î î (MOSI/PCINT2) PB2 [12 (MISCV PCINT3) PB3 [Tl (OC2A/PCINT4) PB4 [Ü (OC1A/PCINT5) PB5 ^ (OC1B/PCINT6) PB6 < 0 < q. û. û. û. û. û. (i. û. 0 > £ £ cl
mr^if^fîir^^ır^^ır^r^^ı^ır^^ır^^ı
s 8 î î n î I E e ^ £ S 5 § 5 ö £ ö « S5 x x 5 * 5- EŞekil 4.4. ATmega 2560 pin görünüş şeması
A D ’ler üzerinde kullanılan A Tm ega 2560 m ikrodenetleyicisi Şekil 4 .4 ’te gösterilm iş olup özellikleri aşağıda verilm iştir;
• Y üksek perform ans, düşük güç tüketim i, • RISC kom ut seti,
• 32 x 8 genel am açlı çalışan yazm açlar (registers), • 16 M H z çalışm a frekansı,
• 256 KB program lanabilir flash program belleği, • 4 K bytes EEPRO M ,
• 8 K bytes dahili SRAM, • M aster/ Slave SPI arayüz, • 12 PW M kanalı,
• 16 kanal 10 bit çözünürlüklü ADC, • A nalog karşılaştırıcı,
• Program lanabilir W atchdog zam anlayıcı,
• 100.000 defa program hafızasına silm e/yazm aya izin verme, • 2-tel arayüzü,
• 6 adet uyku m odu • K esmeler,
• 86 program lanabilir giriş-çıkış pini,
• Çok düşük enerji tüketim i (aktif mod: 1MHz, 1.8V: 500^A - uyku modu: 0.1^A at 1.8V).
K ullanılan A Tm ega 328 ve A Tm ega 2560 m ikrodenetleyicilerin blok diyagramları sırasıyla Şekil 4.5 ve Şekil 4 .6 ‘da gösterilm iştir (Atmel D atasheet, 2014; Atmel D atasheet, 2015).
Şekil 4.6. ATmega 2560 blok diyagramı
B u tez çalışması ile geliştirilen K A E A tabanlı bina kontrol sistem inin saha testlerinin gerçekleştirilm esi sürecinde AD ve ED prototip m odelleri oluşturulurken üzerlerinde A Tm ega 328 ve A Tm ega 2560 m ikrodenetleyicisi bulunduran A rduino UNO Rev3 ve Arduino M ega 2560 geliştirm e kartları kullanılm ıştır. Bu kartlar, dünya üzerinde kullanım ı en yaygın olan göm ülü sistem geliştirm e platform u olup, A rduino U NO Rev3 ve A rduino M ega 2560 görselleri sırasıyla Şekil 4.7 ve Şekil 4 .8 ’de verilm iştir.
au. o z a <s> DIGI T AL PUM(") î ı ası ... 50SX fi S & 8 5 5 8 ' 5 » --- İB İK * • ■ON ÜTX fcpx İ L A7 f)6 m m
UNO R3
I K H I J I® T* ~ - ~ - -W '£ L _ -» -S* QN9 POUER [I 1 ır a ri ın (3 u 3 » * # # # # # # RX TX 5U GND • • • 0 S D ft S C L 3. 3U GNO 0_0 0 O 7 - A N A L O G IH. X C c c c c ■ # # # » # #Şekil 4.7. Arduino UNO geliştirme kartı görseli. A rduino U N O geliştirm e kartı özellikleri şu şekildedir;
• 14 D ijital giriş çıkış pini, • 6 PW M pini,
• 16 M H z dahili osilatör, • 6 analog giriş,
• ICSP pinleri,
• A daptör güç bağlantı pini, • R eset butonu,
• USB bağlantısı, • Tx/Rx pinleri,
