title: Energy and security management in homes based on algorithm for optimal control, using an experimental setup with low cost Arduino/Android technologies
title: Αλγόριθμος και υλοποίηση πειραματικής διάταξης αυτοματισμού, χρησιμοποιώντας Arduino/Android τεχνολογίες, με στόχο τη βέλτιστη ενεργειακή διαχείριση και επιτήρηση κατοικίας
Creators: name: Κωστογλου Στυλιανος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2017

description: One of the main goals of automation in a smart home is the regulation and control of the home entertainment systems and household activities, in order to achieve the atmospheric comforts (e.g. heating, ventilation, atmosphere humidity) and simultaneous keep the user’s desired electric power consumption threshold. Therefore, the aim of this thesis is to present an embedded artificial intelligence control system based on a proposed algorithm and applied to the Arduino platform, for decision support in power flow management. For this, an embedded Arduino system is developed which among other receives the environmental values (e.g. temperature), to be processed in a Fuzzy controller and return the output as a recommendation to control the electric home devices.
To achieve the above goals, a real time control algorithm based on fuzzy logic theory is developed, in order to be implemented on the ARDUINO UNO microcontroller board, using sensors and Android technologies.
At first, the proposed fuzzy algorithm is designed and simulated using MATLAB’s Fuzzy Toolkit. Thereafter, this fuzzy algorithm is implemented through ARDUINO UNO tool kit, using the eFLL (Embedded Fuzzy Logic Library) library which is a standard library for Embedded Systems. The eFLL is developed by Robotic Research Group (RRG) at the State University of Piauí (UESPI-Teresina).
The fuzzy algorithm consists of two collaborated fuzzy controllers. The first one has as input: the internal temperature of the home and the external temperature of the environment. The output is the current power level settings of home appliances. The second fuzzy controller has input: the output of the first fuzzy controller, the user’s preferences for the daily upper limit of power consumption, the devices’ total energy consuption and the data of the internal sensor temperature. The output is the set point value of the heating boiler.
The platform consists of an Arduino based node with network connectivity which is able to exchange data with the developed Android app. The app can be used to monitor sensor data and set the power level settings or deactivate appliances remotely. Sensor data can also be graphically represented on charts or specifically designed Internet of Things gauges on the Android app.
Automations are also built to control energy consumption. The user is able to activate or deactivate specifically programmed automatic modes. Once such modes are activated, appliances will automatically shut down when certain conditions are met, e.g. once the reading of the light sensor reaches a certain point, all the light emitting devices will automatically turn off. The Android app is built according to the best practices and offers a wide variety of options to the end user. Many other state of the art features are incorporated in the platform, such as voice commands, ajax navigation that contribute to the best possible user experience.
The platform is also open source, modular and can easily integrate any other type of sensor or actuator with minimal or no code changes. Moreover, the industrial design is sized and implemented taking care of the platform cooling.
description: Ένας από τους κύριους στόχους των αυτοματισμών σε μία έξυπνη κατοικία είναι η ρύθμιση και ο έλεγχος των συστημάτων οικιακής ψυχαγωγίας και των δραστηριοτήτων της κατοικίας, προκειμένου να επιτευχθούν οι ατμοσφαιρικές ανέσεις (π.χ. θέρμανση, αερισμός, υγρασία της ατμόσφαιρας) και ταυτόχρονα να κρατήσει μέσα στα επιθυμητά όρια του χρήστη την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας. Ως εκ τούτου, ο στόχος της παρούσας εργασίας είναι να παρουσιάσει ένα ενσωματωμένο σύστημα τεχνητής νοημοσύνης ελέγχου με βάση έναν προτεινόμενο αλγόριθμο υλοποιημένο στην πλατφόρμα Arduino, για την υποστήριξη λήψης αποφάσεων στον τομέα της διαχείρισης της ροής ισχύος. Για το σκοπό αυτό, έχει αναπτυχθεί ένα ενσωματωμένο σύστημα μέσω του Arduino το οποίο, μεταξύ άλλων, λαμβάνει τις περιβαλλοντικές τιμές (π.χ. θερμοκρασία) οι οποίες υποβάλλονται σε επεξεργασία μέσω ενός ελεγκτή ασαφούς λογικής, ο οποίος με τη σειρά του επιστρέφει την έξοδο σαν σύσταση για τον έλεγχο των ηλεκτρικών συσκευών στην κατοικία.
Για την επίτευξη των παραπάνω στόχων, έχει αναπτυχθεί ένας αλγόριθμος ελέγχου πραγματικού χρόνου που βασίζεται στην ασαφή λογική, προκειμένου να εφαρμοστεί στον μικροελεγκτή Arduino UNO, χρησιμοποιώντας αισθητήρες και τεχνολογίες Android.
Αρχικά ο προτεινόμενος αλγόριθμος ασαφούς λογικής σχεδιάστηκε και προσομοιώθηκε με τη χρήση του εργαλείου Fuzzy toolkit στο Matlab. Στη συνέχεια, ο αλγόριθμος ασαφούς λογικής υλοποιήθηκε στο Arduino UNO,χρησιμοποιώντας την βιβλιοθήκη eFFL (Embedded Fuzzy Logic Library) η οποία αποτελεί μία βασική βιβλιοθήκη των ενσωματωμένων συστημάτων. Η eFFL έχει αναπτυχθεί από την Robotic Research Group (RRG) στο Κρατικό Πανεπιστήμιο της Piauí (UESPI-Teresina).
Ο ασαφής αλγόριθμος αποτελείται από δύο ασαφείς ελεγκτές. Ο πρώτος έχει σαν είσοδο: την εσωτερική θερμοκρασία της κατοικίας και την εξωτερική θερμοκρασία του περιβάλλοντος. Η έξοδος είναι οι τρέχουσες ρυθμίσεις του επιπέδου ισχύος των οικιακών συσκευών. Ο δεύτερος ελεγκτής έχει σαν είσοδο: την έξοδο του πρώτου ασαφούς ελεγκτή, τις προτιμήσεις του χρήστη για το ημερήσιο άνω όριο της κατανάλωσης ενέργειας, την συνολική κατανάλωση ενέργειας των συσκευών της κατοικίας και την εσωτερική θερμοκρασία της κατοικίας. Η έξοδος είναι η τιμή σημείου ρύθμισης του λέβητα θέρμανσης.
Η πλατφόρμα αποτελείται από ένα Arduino βασισμένο σε κόμβους με σύνδεση δικτύου οι οποίοι μπορούν να ανταλάσσουν δεδομένα μέσω της αναπτυγμένης εφαρμογής Android. Η εφαρμογή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παρακολούθηση των δεδομένων του αισθητήρα και τη ρύθμιση του επιπέδου ισχύος ή την απενεργοποίηση των συσκευών από απόσταση. Τα δεδομένα των αισθητήρων μπορούν επίσης να απεικονιστούν γραφικά σε διαγράμματα ή σε ειδικά σχεδιασμένους ΙοΤ μετρητές στην εφαρμογή Android.
Επίσης έχουν σχεδιαστεί αυτοματισμοί για να ελέγχουν την κατανάλωση ενέργειας. Ο χρήστης έχει τη δυνατότητα να ενεργοποιήσει ή να απενεργοποιήσει ειδικά προγραμματισμένες αυτόματες λειτουργίες. Όταν αυτές οι λειτουργίες ενεργοποιηθούν, οι συσκευές θα κλείσουν αυτόματα όταν πληρούνται συγκεκριμένες προϋποθέσεις, π.χ όταν η τιμή του αισθητήρα φωτός γθάνει ένα ορισμένο όριο, όλες οι συσκευές που εκπέμπουν φως θα σβήσουν αυτόματα.
Η Android εφαρμογή αναπτύχθηκε βάσει των βέλτιστων τεχνικών και προσφέρει ποικιλία δυνατοτήτων στο χρήστη. Επίσης στην πλατφόρμα ενσωματώθηκαν και χαρακτηριστικά όπως φωνητικές εντολές, αλλαγή σελίδων μέσω ajax που συμβάλλουν στην βέλτιστη δυνατή εμπειρία χρήσης.
Η πλατφόρμα είναι ανοιχτού κώδικα, επεκτάσιμη και παραμετροποιήσιμη ώστε να μπορεί να δεχθεί οπουδήποτε άλλου είδους αισθητήρα ή ενεργοποιητή, με ελάχιστες ή καθόλου αλλαγές στον κώδικα. Επίσης ο βιομηχανικός σχεδιασμός έχει σχεδιαστεί και τροποποιηθεί σε μέγεθος, έτσι ώστε η πλατφόρμα να έχει την κατάλληλη ψύξη.