Soğutucu dolaplarındaki enerji tüketimi ve hata bildirimlerinin AES tabanlı IoT uygulamaları ile sahada takibi ve kontrolü
Field monitoring and control of energy consumption and error notifications in refrigerators with AES-based IoT applications
Yazar: ÜMİT GÜLER
Danışman: PROF. DR. RADOSVETA İVANOVA SOKULLU
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektronik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Hata izleme = Error monitoring ; Veri şifreleme standardı = Data encryption standard ; Yeşil enerji = Green energy

Özet:
Günümüzde enerji kaynaklarının hızla tükenmesinden dolayı, enerji kullanım miktarının takibi ve kontrolü büyük önem arz etmektedir. Bu durum, sürekli enerji altında bulunan ve yüksek güç tüketen cihazlarda daha da önemli hale gelmektedir. Hastaneler, alışveriş merkezleri, spor salonları ve günümüzdeki evler göz önüne alındığında, bu cihazlardan birisi de buzdolaplarıdır. Bu tez çalışması kapsamında, buzdolabı üreticileri ve son kullanıcılar için cihazların takibine ve kontrolüne olanak sağlayan bir Nesnelerin İnterneti (Internet of Things (IoT)) sistemi geliştirilmiştir.

Buzdolabı üreticileri tarafından ESP32 (Hibrit Wi-Fi & Bluetooth) serisi kullanılarak geliştirilen dolapların sahada internete bağlanmasıyla gerekli olan tüm veriler MQ Telemetri Aktarımı (İng. Message Queuing Telemetry Transport (MQTT)) protokolü üzerinden, günümüzün en güçlü simetrik şifreleme algoritması olan Gelişmiş Şifreleme Standardı (İng. Advanced Encryption Standard (AES)) ile şifrelenerek MQTT sunucusuna aktarılmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında geliştirilen ve MQTT sunucusuna bağlı olan bir Windows Servis uygulaması ile çözülen şifreler, aynı ortamda bulunan veri tabanına kaydedilmektedir. Geçmişe yönelik takip için tutulan bu kayıtlar, geliştirilen masaüstü uygulaması ve web sitesi üzerinden kontrol edilebilmektedir.

Bahsedilen masaüstü uygulaması, sadece buzdolabı üreticilerinin kullanımına yönelik tasarlanmıştır. MQTT aracısına direk bağlantı sayesinde, anlık olarak gelen şifreli bilgilere, tam erişim sağlamakta ve deşifre ederek analiz yapabilmektedir. Böylece nominal güç tüketimi bilinen bir buzdolabının arızaya veya yanlış kullanıma dayalı fazladan enerji tüketimi anında tespit edilebilmektedir. Aynı zamanda, istenilen dolaplar şifreli olarak uzaktan kontrol edilebilmektedir. Bunun yanında, arıza durumlarını daya iyi analiz edebilmek için, geçmiş kayıtlar gerek uygulama üzerinden gerekse uygulamanın excel tablosu çıktısı sayesinde rahatlıkla incelenebilmektedir. Böylece olası iyileştirmeler için büyük bir bilgi havuzu oluşmuş olmaktadır.

Web sitesi tasarımı ise, herhangi bir tarayıcı üzerinden hızlı takip yapılabilmesi için buzdolabı üreticileri, yetkili teknik servisler ve son kullanıcılara yönelik tasarlanmıştır. Bu sayede son kullanıcılar için kullanım bilgilerine erişim sağlanırken, teknik ekipler gerek tablo sunumlarından, gerekse grafiklerden dolap geçmişini inceleyerek, arıza tespitine yardımcı bilgiler edinilmesi sağlanmıştır. 

Son kullanıcı tarafında Wi-Fi bağlantısı olmayabileceği düşünülerek, cihaz içerisinde bulunan ürünlerinin anlık takibinin yapılabilmesi için bluetooth düşük enerji (Bluetooth Low Energy (BLE)) bağlantısı ile iletişim kurulan bir mobil uygulama geliştirilmiştir. 

Bu tez kapsamında geliştirilen tüm uygulamalara, veri tabanına önceden kaydedilmiş, kullanıcı adı ve şifresi ile giriş yapılabilmektedir. Ancak uygulamalar tarafından veri tabanına doğrudan erişim, güvenlik zaafı olabileceği için ara katman olarak Uygulama Programlama Ara yüzü (İng. Application Programming Interface (API)) geliştirilmiştir. Tüm uygulamalar bu API üzerinden Üstün Metin Transfer Protokolü (İng. Hyper Text Transfer Protocol (HTTP)) isteğinde bulunur ve yetki alırlar. Ancak elde edilen bu yetki sınıfına göre gerekli görüntüleme işlemi gerçekleştirilebilir.

Abstract:
Monitoring and controlling the amount of energy usage has become significantly important in today's world due to the rapid depletion of energy resources. This becomes even more important in devices that are constantly under energy and consume high power. Considering hospitals, shopping malls, fitness centers and today's homes, one of these devices is refrigerators. Within the scope of this thesis, Internet of Things (IoT) system has been developed for refrigerator manufacturers and end users, which allows devices to be monitored and controlled.

Refrigerators developed using the ESP32 (Hibrit Wi-Fi & Bluetooth) series can connect to the internet in the field. All the necessary data for this connection is encrypted using Advanced Encryption Standard (AES), the most powerful symmetric encryption algorithm of today, and transferred to the MQTT broker via the Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) protocol. Within the scope of this thesis study, a Windows Service application, connected to the MQTT server, decrypts the encrypted data and stores it in a local database in the same environment. These records, which are kept for historical follow-up, can be checked through the developed desktop application and website.

The aforementioned desktop application is intended for use by refrigerator manufacturers only. Thanks to the direct connection to the MQTT agent, it provides full access to instantaneous encrypted information and can decipher and analyze. Thus, the excess energy consumption of a refrigerator with a known nominal power consumption due to malfunction or misuse can be detected immediately. At the same time, the desired cabinets can be controlled remotely with a password when necessary. In addition, in order to analyze fault situations better, historical records can be easily examined both through the application and through the application's excel table output. As a result, a large pool of information is created for possible improvements.

The website is designed for refrigerator manufacturers, authorized technical services and end users so that they can be followed quickly via any browser. In this way, while access to usage information is provided for end users, technical teams can examine the cabinet history both from table presentations and graphics, and to obtain helpful information for fault detection.

Considering that the end user may not have a Wi-Fi connection, a mobile application that communicates with Bluetooth Low Energy (BLE) connection has been developed in order to instantly monitor the products in the device.

All applications developed within the scope of this thesis can be accessed with a user name and password previously saved in the database. However, since direct access to the database by applications may be a security weakness, Application Programming Interface (API) has been developed as a middleware. All applications request and receive authorization for the Superior Text Transfer Protocol (HTTP) over this API. However, the required imaging operation can be performed according to this obtained authorization class.