Smart	  Buildings	  at	  IITH	  	  Dr.	  P	  Rajalakshmi	  Assistant	  Professor	  Department	  of	  Electrical	  Engineering	  IIT	  Hyderabad	  Email:	  raji@iith.ac.in	  	  2/23/15	  1	  Objec=ves	  –	  Smart	  Zero	  Net	  Energy	  Buildings	  	  • ZNEB	  -­‐	  Net	  energy	  drawn	  from	  the	  convenConal	  grid	  should	  be	  zero	  by	  maximizing	  the	  energy	  drawn	  from	  the	  renewable	  energy	  sources	  	  in	  an	  year	  • Ubiquitous	  Home/Building	  Networks	  -­‐	  Energy	  management	  within	  buildings	  2Energy Management within Buildings	  	  •Buildings consume
approximately 70% of total
electricity produced and lead toapproximately 40% ofgreenhouse gases.

•A smart building with an
integrated Wireless Sensor
Network, a Cognitive Energy
Manager, and an actuation
system for controlling electricalappliances in the building.

•CogniCve	  Energy	  Manager	  is	  the	  brain	  3

Smart	  Energy	  Eﬃcient	  Building	  Design	  • Layered	  Architecture:	  Energy	  management	  within	  the	  building	  • Sensing	  of	  various	  physical	  parameters	  –	  •Power	  monitoring,	  moCon,	  LocaCon	  detector,	  Gas	  detector,	  smoke,	  ﬁre,	  temperature,	  hygrometry,	  CCTV,	  door/
window	  status…	  • Cogni?ve	  Base	  Sta?on	  –	  Intelligent	  compuCng	  with	  context-­‐awareness	  ••••Receives	  sensed	  data	  provides	  relevant	  services	  based	  on	  the	  situaCon/context	  Sends	  out	  commands	  to	  the	  actuators/
control	  modules	  Can	  be	  centralized	  or	  distributed	  compuCng	  • Communica?on	  -­‐	  Heterogeneous	  wireless	  environment	  •Zigbee,	  Wiﬁ	  and	  Bluetooth	  (services	  on	  the	  phones,	  web,	  tabs)	  • Control	  module	  –	  power	  electronics	  •Wireless	  signals	  control	  the	  triac	  switches	  to	  drive	  the	  load	  Layered	  Architecture	  AC’s	  FAN’s	  Curtain	  Movement	  	  Light	  Intensity	  Sensors	  PIR	  –	  1	  	  PIR	  	  0	  	  BULB’s	  Wireless	  Sensor	  Node	  PIR	  	  2	  	  	  Wirel
ess	  Communic
a=on	  Network	  Control	  Commands	  	  GATEWAY	  SERVER	  WIFI	  MODULE	  PIR	  –	  3	  	  Magne=c	  Door	  Sensor	  	  	  	  	  	  	  	  	  Wireless	  Connec=on	  	  	  	  	  	  Wired	  Connec=on	  4

IITH mote – 802.15.4 Wireless Communication NodeIITH mote• ITH mote Low cost Wirelesssensor network platform• ISM band – 2.4 GHz• Atmega AT128-1 controller andAT86RF230 radio• 820.15.4/Zigbee and TinyOS
based• Environment, Agriculture, Smarthome applications• Teaching /R&D to educational
institutions

CPS	  Lab	  –	  Field	  Trials	  6Sensor	  modules	  –	  In-­‐house	  built	  based	  on	  the	  commercial	  sensors	  	  a)Light	  intensity	  sensor	  b)	  	  	  RFID	  Module	  	  d)	  Power	  Monitoring	  circuit	  	  (Hall	  	  eﬀect	  Sensor)	  	  e)Magne=c	  Sensor	  	  c)	  PIR	  Sensor	  	  f)	  Curtain	  operator	  control	  7

Communica=on	  Modules	  -­‐	  Heterogeneous	  wireless	  network	  A)	  IITH	  mote	  –	  802.15.4	  To	  support	  Variable	  data	  rate	  applicaCons	  • Low	  power,	  event	  based	  applicaCons,	  low	  data	  rate	  	  –	  Zigbee	  -­‐	  	  • High	  bandwidth	  ,	  data	  rate	  –	  WiFi	  –	  video,	  mulCmedia	  applicaCons	  	  •C)	  Bluetooth	  module	  B)	  WiFi	  	  (Rabbit	  core)	  Green CPS - IIT Hyderabad

8

Control	  Modules	  ••Power	  electronics	  based	  control	  modules	  Actuation with power electronic
switches
Loads
with different ratings can be	  controlled	  	  	  	   – Lights, Fans––•Acs
Curtains

Manual Override is provided at eachcontrol switch. 	  

Curtain	  Operator	  	  	  	  Curtain	  operator	  control	  9	  Experimenta=on	  Results	  –	  CPS	  Lab	  	  	   Power	  usage	  plot	  for	  1	  day	  	  in	  Smart	  lab	  	  Energy	  saving	  	  in	  smart	  Lab	  is	  around	  30%	  	  10Smartphone	  based	  control	  of	  smart	  room	  Android	  	  based	  app	  for	  smart	  p	  hones	  	  and	  tablet	  	  App	  !	  adobe	  ﬂash	  builder	  	  	  •Monitoring	  and	  actua=on	  is	  enabled	  •All	  electrical	  loads	  can	  be	  monitored	  from	  anywhere	  on	  the	  globe	  	  •Manual	  over	  ride	  to	  stop	  automa=on	  is	  provided	  for	  user	  comfort	  •Scheduling	  of	  load	  from	  smart	  phone	  is	  under	  development.	  	  	  2/23/15CPS Innovations Hub @ IITH

11Planned	  and	  Ongoing	  Ac=vi=es	  • Smart	  Buildings	  at	  IITH	  permanent	  campus	  • Low	  cost	  smart	  monitoring	  and	  actuaCon	  module	  development	  	  • StandardizaCon	  –	  IEEE	  1888	  complaint	  data	  collecCon	  at	  IITH	  server,	  and	  sensor	  nodes	  for	  smart	  buildings	  • IntegraCon	  of	  smart	  building	  with	  renewable	  sources	  like	  solar	  -­‐	  ZNEB	  • TheoreCcal	  models	  for	  dense	  traﬃc	  IoT	  applicaCons	  • Scalability	  with	  Wireless	  –	  ZigBee/Wiﬁ	  mulC-­‐hop	  networks	  Current	  based	  Monitoring	  at	  IITH	  In	  collabora=on	  with	  UoT	  ObjecCve	  :	  	  • 	  	  	  	  	  	  	  	  	  To	  tap	  diﬀerent	  electrical	  networks	  of	  IITH	  building	  	  • 	  	  	  	  	  	  	  	  	  monitor	  and	  save	  the	  current	  consumpCon	  data	  	  • 	  	  	  	  	  	  	  	  	  Log	  to	  designated	  IEEE	  1888	  server.	  	  	  Architecture	  of	  the	  node	  deployed	  in	  the	  	  campus:	  • 	  	  	  Arduino	  based	  embedded	  pladorm	  to	  sense	  and	  	  • 	  	  	  compute	  irms	  	  of	  the	  load.	  
• 	  	  	  convert	  data	  to	  IEEE	  1888	  compliant	  • 	  	  	  Xbee	  Wi-­‐Fi	  module	  to	  interact	  with	  Smart-­‐X	  Wi-­‐Fi	  network.	  
• 	  	  Log	  and	  visualize	  all	  monitored	  load	  values	  from	  anywhere	  • 	  	  using	  IEEE	  1888	  server.	  	  Xbee	  Wi-­‐Fi	  Arduino	  based	  IEEE	  1888	  Compliant	  node	  Current	  sensor	  Load	  (Node)	  	  	  Deployed	  Architecture	  	  Xbee	  Wi-­‐Fi	  Node	  	  At	  main	  Electrical	  panels-­‐1	  	  Xbee	  Wi-­‐Fi	  Node	  	  At	  main	  Electrical	  panels-­‐2	  Xbee	  Wi-­‐Fi	  Node	  	  At	  main	  Electrical	  panels-­‐3	  Xbee	  Wi-­‐Fi	  Node	  	  At	  PHD	  cabin	  Smart-X Wi-Fi
Access point

IEEE 1888 Server
Smart-X Wi-Fi
Access pointLAN
Wi-Fi link

14

Four	  metres	  deployed	  at	  IITH	  in	  collabora=on	  with	  UoT	  Meter deployment at Electrical
Panels-1

Meter deployment at Electrical
Panels-2

Meter deployment at Electrical
Panels-3

Meter deployment at PHD cabinof IIT Hyderabad

Current	  consump=on	  of	  electrical	  panel-­‐2	  at	  IITH	  incollabora=on	  with	  UoT	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  Low	  cost	  smart	  Modules	  to	  monitor	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  and	  control	  Edge	  network	  in	  a	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  building	  for	  eﬀec=ve	  BEMS	  	  	  	  Mo=va=on	  	  for	  Low	  cost	  smart	  Module	  • To	  monitor	  each	  individual	  network	  in	  the	  building	  contribuCng	  to	  total	  consumpCon.	  
• Improves	  the	  eﬃciency	  Building	  Energy	  manager	  (BEM)	  in	  real	  Cme	  load	  scheduling	  of	  a	  building.	  
• EﬀecCve	  peak	  reducCon	  and	  ﬂat	  load	  proﬁle	  can	  be	  agained	  with	  even	  edge	  network	  monitoring	  and	  control.	  
• Power	  quality	  improvement	  measures	  even	  at	  individual	  network	  level	  can	  be	  planned	  and	  implemented.	  
Parameters	  of	  consideraCon	  :	  • 	  	  	  	  	  	  	  	  voltage,	  current	  and	  power	  factor	  • 	  	  	  	  	  	  	  	  real,	  reacCve	  and	  apparent	  power	  	  etc	  • 	  	  	  	  	  	  	  	  Power	  quality	  metrics	  Low	  cost	  smart	  module	  -­‐-­‐	  Architecture	  Power	  metering	  IC	  Voltage	  and	  Current	  	  Inputs	  from	  load	  MCU	  Controlsignals

Vrms, Irms, Preal
S, Pf ….

ZigBee/Wi-­‐Fi	  module	  Data
to and fromthe server

Actuation
Signals tothe loads

Glimpses of smart module
development

MCU and signal
Conditioning circuit

MCU with Power, Current sensors Current sensorCurrent senso
for boardfor Hioki-339

Hioki-3390 poweranalyzer

	  Calibra=on	  of	  low	  cost	  smart	  module	  Calibration set up for smart module in
IITH lab

Load values observed in
Hioki-3390 during calibration••••

Load values observed for thesame load with smart module
during calibration••

Developed	  smart	  module	  	  is	  calibrated	  with	  standard	  Hioki-­‐3390	  module	  Vrms	  	  ,	  Irms	  	  and	  Preal	  are	  calibrated	  with	  diﬀerent	  loads.	  	  Error	  observed	  in	  most	  of	  parameters	  are	  less	  than	  3%	  on	  an	  average.	  
Power	  factor	  obtained	  from	  the	  developed	  module	  gives	  the	  measure	  of	  reacCve	  and	  apparent	  power	  also.	  	  Smart	  module	  can	  be	  easily	  interfaced	  with	  Wi-­‐Fi	  or	  ZigBee	  modules	  ﬁnally	  to	  forward	  data	  to	  the	  central	  server	  Harmonics	  measure	  is	  also	  under	  consideraCon	  with	  same	  smart	  module	  	  	  	  	  	  	  	  	  Realizing	  IITH	  permanent	  campus	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  as	  a	  collec=on	  of	  	  	  	  	  	  Smart	  Net	  Zero	  Energy	  Building	  (NZEB)	  	  Architecture	  for	  IITH	  campus	  SM-­‐2	  SM-­‐1	  Renewable	  source	  (Solar)	  	  Renewable	  source	  (Solar)	  	  Centralserver
Building-2

Building-1
SM-­‐3	  SM	  -­‐	  *	  Renewable	  source	  (Solar)	  	  Building-3

Low cost
smart module
Smart Meter	  	  	  	  	  	  	  	  Architectural	  proposal	  of	  smart	  	  Net	  Zero	  Energy	  Building	  (NZEB)	  for	  IITH	  campus	  Stage-­‐1:	  • Academic	  building	  is	  planned	  as	  BEMS	  with	  integraCon	  of	  renewable	  energy	  source	  like	  solar.	  
• 	  Aggregated	  consumpCon	  of	  each	  building	  is	  monitored	  with	  a	  sophisCcated	  Smart	  meter	  monitoring	  all	  	  possible	  electrical	  parameters	  	  including	  	  power	  quality.	  
• Each	  individual	  network	  to	  be	  monitored	  with	  low	  cost	  smart	  module	  and	  controlling	  with	  BEMS.	  
• All	  monitoring	  and	  actuaCon	  devices	  are	  linked	  to	  local	  and	  central	  servers	  	  	  	  	  	  	  	  using	  heterogeneous	  wireless	  network	  architecture	  • All	  smart	  meters	  can	  log	  data	  to	  the	  central	  server	  which	  controls	  central	  power	  	  	  	  	  	  	  distribuCon	  system	  powering	  all	  buildings.	  	  • Central	  server	  can	  also	  be	  	  responsible	  for	  switching	  between	  local	  renewable	  energy	  resources	  like	  solar	  and	  uClity	  grid	  of	  each	  building.	  	  	  Scaling the monitoring network in IITH building with
ZigBee multi-hop communication
MulC-­‐hop	  ZigBee	  network	  is	  essenCal	  to	  scale	  the	  network	  over	  large	  area	  of	  building.	  
• IEEE	  802.15.4	  compliant	  IITH	  mote	  are	  formed	  as	  mulC-­‐hop	  network	  to	  forward	  data	  from	  the	  ﬁeld	  to	  sink	  node.	  
• A	  three	  node	  mulC-­‐hop	  network	  forwarded	  data	  from	  CPS	  lab	  to	  sink	  node	  in	  EE	  lab	  with	  a	  reliable	  link.	  
• Output	  power	  of	  the	  antenna	  is	  set	  	  	  	  	  	  	  to	  3db.	  
• Distance	  observed	  for	  an	  indoor	  single	  hop	  ZigBee	  communicaCon	  is	  approximately	  30	  metres	  where	  as	  outdoors	  it	  is	  around	  110	  metres	  in	  line	  of	  sight.	  
• Mul=-­‐hop	  wireless	  network	  deployment	  for	  smart	  building	  monitoring	  and	  analysing	  the	  performances	  •Floor-1

CPS labNode-3EE labFloor-0sink
Node-1
Multi-hop Network deployed at IIT Hyderabad

3-­‐DimenConal	  Markov	  model	  for	  IEEE	  802.15.4	  MAC	  	  targeCng	  dense	  traﬃc	  IoT	  applicaCons	  	  	  •
•ExisCng	  mulC-­‐hop	  models	  lack	  state	  wise	  behaviour	  of	  a	  relay	  node.	  Previous	  models	  cannot	  be	  directly	  applied	  to	  evolving	  dense	  traﬃc	  applicaCons	  like	  IoT.	  
IntegraCon	   of	   CSMA/CA	   with	   state	   behaviour	   with	   Anycast	   rouCng	   is	   the	  primary	   research	   interest	   of	   the	   proposed	   model.	   A	   3	   dimensional	   Markov	  model	  with	  state	  behaviour	  and	  Anycast	  rouCng	  is	  developed	  and	  analysed.	  3D	  Markov	  model	  of	  IEEE	  802.15.4	  CSMA/CA	  	  Reliability	  and	  Delay	  models	  Eﬀect	  of	  Third	  dimension	  –	  CSMA	  retries	  Thank	  you!	  

30