TEHNIČKO VELEUČILIŠTE U ZAGREBU

STRUČNI STUDIJ ELEKTROTEHNIKE

Tomislav Brlek

IZRADA UPRAVLJAČKOG SUSTAVA ZA

MODULARNU PAMETNU MONTAŽNU KUĆU

ZAVRŠNI RAD br. 1887

Zagreb, lipanj 2016.

2

TEHNIČKO VELEUČILIŠTE U ZAGREBU

STRUČNI STUDIJ ELEKTROTEHNIKE

Tomislav Brlek

JMBAG: 0246049496

IZRADA UPRAVLJAČKOG SUSTAVA ZA

MODULARNU PAMETNU MONTAŽNU KUĆU

ZAVRŠNI RAD br. 1887

Zagreb, lipanj 2016.

3

4

ZAHVALA

Zahvaljujem svim profesorima, asistentima i laborantima s Tehničkog veleučilišta u

Zagrebu koji su mi pomogli pri izradi ovog završnog rada. Zahvaljujem se laborantu Siniši

Lackoviću, bacc. ing. el; Petru Jandrliću, bacc. ing. el; profesoru Stipi Predaniću, dipl.ing.ele;

dr. sc. Toni Bjažić v. pred; mr.sc. Krunoslavu Martinčiću; te Ivoru Markoviću, mag. ing. na

svim savjetima i preporukama koje su mi pomogle prilikom izrade ovog zadatka.

Posebno se zahvaljujem svome mentoru Tomislavu Novaku mag. ing. inf. et comm.

techn. na pruženom znanju, pomoći i strpljenju.

5

Sažetak

U ovom završnom radu razvija se nova vrsta tehnologije za modularne montažne

kuće. Govori nam kako nam tehnologija može olakšati život tako što nam štedi energiju i

vrijeme za obavljanje jednostavnih zadataka koji se jednostavno mogu automatizirati.

Štoviše, govori o tome kako implementirati tu tehnologiju tijekom gradnje kuće, a ne nakon

što je gradnja već završila. Također, govori vrsti tehnologije koja je korištena, kako je

korištena i zašto. Iako je ovaj model relativno jednostavan, postoje beskrajne mogućnosti

nadogradnje kako bi ne nadalje poboljšao životni standard ukućana.

Summary

This final thesis is about developing a new kind of technology for modular

prefabricated houses. It tells us how technology can make our lifes better by reducing the

energy and time we use to do simple tasks, tasks that can simply be automated.

Furthermore, it tells us how to implement that technology while building the house, not

after it's already done. It also explaines what technology was used, how, and why. Although

this model is relatively simple, there are endless posibilities that can be implemented to

further improve the quality of life for the house occupants.

6

Sadržaj

1. Uvod ................................................................................................................................ 8

2. Postojeći problem ........................................................................................................... 9

2.1. Montažne kuće......................................................................................................... 9

2.2. Modularne kuće ....................................................................................................... 9

2.3. Ugrađivanje „pameti“ .............................................................................................. 9

2.4. Smart Living .............................................................................................................. 9

2.5. Smart House ........................................................................................................... 10

2.6. M2M komunikacija ................................................................................................ 11

3. Moguća rješenja ............................................................................................................ 12

4. Prijedlog riješenja .......................................................................................................... 13

4.1. Postojeće rješenje - Modularna kuća .................................................................... 13

4.2. Dodavanje „pameti“............................................................................................... 14

4.3. Korištene tehnologije ............................................................................................. 14

4.4. Fizički sloj – žice ..................................................................................................... 16

4.5. Detekcija spojenog poda ........................................................................................ 17

4.6. Detekcija i orijentacija spojenog zida .................................................................... 18

4.7. Detekcija isključenja ............................................................................................... 20

4.8. Grafičko sučelje ...................................................................................................... 20

4.9. Shema spajanja ...................................................................................................... 25

5. Problemi prilikom izrade rješenja ................................................................................. 27

6. Mogučnost nadogradnje ............................................................................................... 29

6.1. Zaslon s dodirom .................................................................................................... 29

6.2. Bežična komunikacija ............................................................................................. 29

6.3. Katovi ..................................................................................................................... 30

6.4. Internet aplikacija .................................................................................................. 31

7. Zaključak ........................................................................................................................ 32

8. Literatura ....................................................................................................................... 33

7

Popis slika

Slika 1 Sustav modularne pametne montažne kuće ................................................................ 14

Slika 2 Slika mikroupravljača LPC1768 u podu sa svim žicama ................................................ 16

Slika 3 Maketa poda ................................................................................................................. 18

Slika 4 Slika mikroupravljača na modelu zida........................................................................... 19

Slika 5 Oznaka kuhinje na grafičkom sučelju ............................................................................ 20

Slika 6 Oznaka dnevnog boravka na grafilčkom sučelju ........................................................... 21

Slika 7 Oznaka blagovaone na grafičkom sučelju ..................................................................... 21

Slika 8 Oznaka kupaone na grafičkom sučelju ......................................................................... 21

Slika 9 Prozor za upravljanje (room manager) ......................................................................... 22

Slika 10 Prazno grafičko sučelje................................................................................................ 22

Slika 11 Grafičko sučelje s podom kuhinje ............................................................................... 23

Slika 12 Grafičko sučelje s podom kuhinje i jednim zidom ...................................................... 23

Slika 13 Grafičko sučelje s jednim podom i dva susjedna zida ................................................. 24

Slika 14 Grafičko sučelje s dva poda i dva susjedna zida ......................................................... 24

Slika 15 Maketa modularne pametne montažne kuće ............................................................ 25

Slika 16 Shema na kojoj je prikazana centralna jedinica, dva mikroupravljača iz poda, te četiri

mikroupravljača iz zida ..................................................................................................... 26

Slika 17 Prikaz boja linija .......................................................................................................... 28

Slika 18 Prikaz konektora ......................................................................................................... 28

8

1. Uvod

U ovom završnom radu osmišljen je postupak gradnje sustava za upravljanje modularnih

montažnih kuća. Prolazeći kroz poglavlja obrađuju se postojeći problemi, moguća rješenja,

daje se prijedlog rješenja, analiziraju problemi nastali tijekom izrade rješenja, te mogućnost

nadogradnje.

Želja za boljim, lakšim i ugodnijim životom ljude prati od pamtivijeka. Tako su ljudi kroz

povijest nalazili nove načine kako bi poboljšali građevinu u kojoj žive. Ulaskom u novo doba,

doba tehnologije, ta želja za boljim postala je veća nego ikad. Danas možemo pronaći mnogo

načina i raznih materijala za gradnju kuća. Jedan od načina gradnje je gradnja montažne

kuće.

Montažna kuća je tip kuće kojoj su svi dijelovi izrađeni unaprijed u tvornici, u unaprijed

određenim veličinama, te su sastavljeni na građevinskom zemljištu, dok je modularna kuća

specijalan tip montažne kuće u kojoj su, jednako kao i u montažnoj, svi dijelovi unaprijed

izračeni u tvornici, ali im tijekom sastavljanja kuće na građevinskom zemljištu nisu unaprijed

određene pozicije za spajanje.

Montažni moduli sastoje se od modularnih podova i zidova s posebnim funkcijama za

određene prostorije. Spajanjem modula na centralnu upravljačku jedinicu kreira se na

zaslonu upravljačko sučelje čiji izgled ovisi o konstrukciji kuće. Spajanjem modula podova i

zidova kreiraju se prostorije, a spajanjem prostorija nastaje kuća.

Centralna upravljačka jedinica je Raspberry Pi B gdje je instaliran Raspbian operativni

sustav. Kod paljenja centralne jedinice pokreće se aplikacija rađena u Java programskom

jeziku, a grafičko sučelje rađeno je također u Javi koristeći Swing API-i. U podovima i

zidovima nalaze se mbed NXP LPC1768 mikroupravljači koji služe kao jedinice za upravljanje.

Mikroupravljači u podovima služe kako bi se preko njih odredila orijentacija i pozicija

podova, te kako bi odredili poziciju zidova i upravljali njima.

9

2. Postojeći problem

2.1. Montažne kuće

Montažna kuća je tip kuće kojoj su svi dijelovi izrađeni unaprijed u tvornici, u unaprijed

određenim veličinama, te su sastavljeni na građevinskom zemljištu. Montažne kuće mogu

biti sastavljene od posebnih sekcija ili modularnih (pojedinačnih) dijelova. Najčešći materijal

za gradnju montažnih kuća je drvo koje je podložno podnijeti velika opterećenja. Između

slojeva drva stavlja se staklena vuna koja služi kao izolacija. Za razliku od modularnih kuća,

prilikom gradnje montažnih kuća ne obraća se pažnja na buduće preinake pošto montažne

kuće dolaze kao gotov (nepromjenjiv) proizvod.

2.2. Modularne kuće

Modularna kuća je specijalan tip montažne kuće u kojoj su, jednako kao i u montažnoj,

svi dijelovi unaprijed izračeni u tvornici, ali im tijekom sastavljanja kuće na građevinskom

zemljištu nisu unaprijed određene pozicije. Svi modularni dijelovi su jednakih veličina, te se

mogu spajati neovisno o ostatku kuće. Modularni podovi i modularni zidovi razlikuju se jedni

od drugih po svojoj funkcionalnosti, odnosno svaki tip prostorije koristi svoj tip poda ili zida.

2.3. Ugrađivanje „pameti“

Kod konvencionalnih montažnih kuća ne obraća se pažnja na mogućnost buduće

preinake, pa tako i na ugradnju sustava za nadzor i upravljanje, odnosno „pameti“. Svaka

nova stvar koja se želi ugraditi zahtjeva dodatno bušenje podova i zidova što može povećati

ulaganja.

2.4. Smart Living

Pojam „Smart Living“ označava pokušaj stvaranja ravnoteže između tehnološki

naprednog svijeta u kojem ljudi žive i ljepote prirodnog svijeta koji ih okružuje. Način na koji

će ljudi živjeti u budućnosti i način na koji sada žive se jako razlikuju. Svakodnevno smo

svjedoci napretku tehnologije jer ljudi podižu granice boljeg života i pokušavaju efikasnije

10

iskoristiti već ograničene izvore energije. Mnogi gradovi su to prepoznali, te potiču, taj novi,

energetski učinkovit način života. Mnogi uređaji imaju pristup Internetu. To uvelike mijenja

naš način života. Ako netko ne posjeduje pametni telefon sada, vrlo je vjerojatno hoće u

bližoj budućnosti. Postoje pretpostavke da će do 2020. godine u svijetu biti više desetaka

milijardi uređaja spojenih na internet. Od uređaja koji mjere koliko i kako čovjek spava, kuha

mu kavu prije nego li se probudi, sjeckaju povrće, te kuhaju za ukućane do uređaja koji

aktivno brinu o sigurnosti vaših ukućana. Takvi pametni uređaji postaju sve više i više dio

ljudskog života. Iako mnogi ljudi smatra da će nam takvi uređaji unijeti promjene na bolje,

mnogi i dalje smatraju kako bi takvi uređaji mogli narušiti ljudsku privatnost. Što bi se moglo

dogoditi kada bi se svim tim podacima moglo pristupiti bez znanja korisnika, kako bi netko

mogao narušiti sigurnosti ukućana te samim time unijeti strah od mogućnosti kontrole

njihovog života ili njihove kuće dok nas nema. Mnogi sustavi ljudima nude malo, te skoro

nikakvu sigurnost u tom pogledu, te to predstavlja velik sigurnosni rizik koji omogućuje

hakerima da uđu u njihovu privatnost. Sustavi koji nisu dovoljno sigurni mogu dati podatke o

navikama, te o prisutnosti ukućana. Takve se informacije mogu iskoristiti u pljačkama. [1]

2.5. Smart House

„Smart House“, „Home automation“, odnosno, pametna kuća je način upravljanja

kućnim uređajima sa udaljenosti ili automatski sa centralne upravljačke jedinice. Mnogi

uređaji su programabilni, ali se ne spajaju na mrežu, dok većina uređaja međusobno

komunicira te razmjenjuje podatke. Postoje razićite vrste komunikacija koje se koriste, kao

što je komunikacija mobitela i uređaja preko Bluetooth protokola ili komunikacija više

uređaja preko WiFi, X10, Z-Wave, ZigBee tehnologije ili komunikacije preko električnih

instalacija. Najčešći primjeri kontrole unutar kuće su kontrola termostata, sigurnosnih

sustava, svjetala, zavjesa, elektroničkih brava na vratima, detekcije curenja vode, detekcije

dima ili otrovnih plinova, te kontrole potrošnje električne energije. U zadnjih nekoliko

godina razvio se sustav „Indoor Positioning System (IPS)“ koji pomoću radiovalova, kamera ili

magnetskog polja pronalaze lokacije uređaja ili osoba, nešto kao „Global Positioning System

(GPS)“ za kuću. Takav sustav se primjenjuje zbog toga da se saznaju navike i da se tako

smanji nepotrebno korištenje električne energije.

11

2.6. M2M komunikacija

„M2M“ ili „Machine to machine“ komunikacija je tip komunikacije između više uređaja

preko određenog kanala, bilo žičano ili bežično. „M2M“ komunikacija se najčešće koristi u

industrijskim svrhama, ali se može pronaći i u pametnim kućama. Ova vrsta komunikacije je

temelj svakog većeg sustava. Spajanjem senzora i računala, kao što je senzor temperature i

mikroupravljač, možemo postići najednostavniji oblik ove komunikacije. Uvođenjem IPv6

ovaj oblik komunikacije postao je sve zastupljeniji zbog velikog broja mogućih adresa.

Svakom uređaju je omogućen pristup Internetu Ovaj tip komunikacije se koristi još od

početka prošlog stoljeća, te je s vremenom dobila sofisticiraniji način korištenja. Jedan od

oblika ove komunikacije je komunikacija između mobilnih mreža jer koristi mnogo uređaja

koji su međusobno povezani bežičnom vezom te komuniciraju međusobno. [2]

12

3. Moguća rješenja

Prilikom gradnje kuće, bila montažna ili ne, često se ne obraća pažnja na moguće buduće

promjene u načinu funkcioniranja kuće, te se tako otežava mogućnost promjena. Na tržište

konstantno dolaze nove funkcionalnosti koje bi se mogle ugraditi u kuću, odnosno njen

sustav, te se te nove funkcionalnosti ugrađuju naknadno. Koristeći bilo koji oblik bežične

komunikacije, mogu se povezati svi dijelovi ljudskog doma u cjelinu.

Nakon izgradnje kuće provuku se ili žice ili se upotrijebi jedan od mnogo dostupnih

bežičnih protokola za spajanje senzora i sustava upravljanja. Neke od mogućnosti su nadzor

sustava grijanja, ventilacije, kontrola svjetala, pametna mreža, pametni brojač, sigurnost,

detekcija dima, detekcija vlage, te automatizacija za stare i nemoćne.

Nedostatak takve ugradnje jest u tome što se često ne ostavi dovoljno prostora za

uređaje koji bi upravljali, pa se moraju bušiti rupe u novo izgrađenim zidovima ili podovima.

Na tržištu se također mogu pronaći mnoga rješenja koja bi mogla zadovoljiti mnoge

korisnike. To su jednostavni bežični senzori koji se postavljaju unutar prostorija kuće, na

stolove ili noćne ormariće. To su uređaji koji prate temperaturu, vlagu, pokret i sl. Oni šalju

te podatke na centralnu jedinicu, te se sa centralne jedinice šalju na server koji ih prosljeđuje

korisniku na mobitelu, na mobilnu aplikaciju, preko e-maila ili preko SMS-a.

13

4. Prijedlog riješenja

4.1. Postojeće rješenje - Modularna kuća

Modularna kuća je projekt koji je razvila tvrtka Domusplus, te očituje time što je za

razliku od bilo koje druge kuće ona modularna, odnosno daje mogučnost spajanja

individualnih modula po želji, kao „lego“ kockice. Ova kuća se također razlikuje od klasične

po tome što je gradnja mnogo brža, jeftinija i jednostavnija. Podovi su kvadratnog oblika, dok

su zidovi pravokutnog. Svaki pod, te svaki zid u sebi ima provučene cijevi od instalacija te

poseban univerzalni nastavak kod svakog ruba, što omogučava lako spajanje te izrazitu

slobodu tijekom spajanja. U svakom podu, sve instalacije su provedene do sredine stranice

kvadrata, te na sve četiri strane, dok su u zidovima provučene od spoja na dnu zida do centra

zida, te provučene po zidu ovisno o njegovoj namjeni ili po potrebi. Prozori su ugrađeni u zid

prije sastavljanja kuće te se ne može mijenjati njihova pozicija. Razvodni ormar se nalazi u

zidu u kojem su ulazna vrata, te se kroz podove, električna energija dovodi do svake

prostorije.

Prije gradnje ove kuće moraju se naravno izgraditi temelji. Važno je da gornji sloj

temelja bude savršeno vodoravan, jer i male nepravilnosti mogu načiniti štetu. Kao i kod

večine montažnih kuća, osnovni materijal od kojeg su izrađene je drvo koje prolazi mnoga

testiranja čvstoče i kvalitete prije nego li se ugrađuje u dijelove kuće. Za izolaciju se koristi

sloj staklene vune debljine 15 cm, te se sa svake strane premazuje vodotpornim lakom te

lakom koji sprečava gorenje. Nakon spajanja, spojevi se pune sa pjenom koja se širi te osuši,

radi dodatne izolacije.

Završni sloj boje se stavlja na kuću nakon izgradnje, te ga nije moguće staviti za zidove

prije zbog estetskih razloga. Ukupno vrijeme sastavljanja je manje od tjedan dana,

neuključujući namještanje prostorija u kući namještajem. [3]

14

4.2. Dodavanje „pameti“

Prilikom izrade ovog rada došlo se do ideje izrade sustava koji bi unaprijedio postojeće

rješenje. Stvoren je model kojeg karakteriziraja jednostavnost ugradnje u več postojeći

sustav. Budući da svaka kuća ima razvodni ormar, te glavna ulazna vrata, najlogičnije je da se

i centralna upravljačka jedinica nalazi tamo. Na sredini svakog poda, te na sredini svakog zida

nalazi se mikroupravljač LPC1768 koji je s centralnom upravljačkom jedinicom spojen preko

I2C protokola. Ovaj protokol se koristi za male udaljenosti, no kod ovog projekta je korišten

zbog jednostavnosti, te u svrhu dokazivanja koncepta. Centralna upravljačka jedinica je

Raspberry Pi B na kojem je Raspbian operativni sustav.

Slika 1 Sustav modularne pametne montažne kuće

4.3. Korištene tehnologije

Rasperry Pi model B je računalo veličine kreditne kartice koje je razvijeno u Velikoj

Britaniji od strane „Raspberry Pi Foundation“ u svrhu lakšeg razumijevanja računala, te

pomoći kod učenja informatike u školama. Dizajnirano je oko „Broadcom BCM2835 SoC“ koji

ima ARM1176JZF-S 700 MHz procesor, 512 MB RAMa te VideoCoreIV grafičku karticu. Podaci

se spremaju na vanjsku SD karticu na kojoj je instaliran operativni sustav. Model B ima dva

USB sučelja, te 10/100 ethernet kontroler.

15

„Raspbian“ je operativni sustav baziran na „Debian“ distribuciji „Linux“ operativnog

sustava optimiziran za rad na Raspberry Pi sustavima. Programski kod koji upravlja s cijelim

sustavom pisan je „Java“ programskom jeziku. Za korištenje ovog jezika u Raspbian

operativnom sustavu potrebno je preuzeti s interneta i instalirati „Pi4j“ biblioteku. „Pi4j“ je

sučelje pomoću kojeg se jednostavno, pomoću koda napisanog u Javi, kontrolira ulazno

izlaznim jedinicama na Raspberry Pi. Napajanje ovog sustava vrši se iz mreže pomoću koje se

napajaju kućanski elementi, no u slučaju nestanka struje, „pamet se ne smije raspasti“ te se

pokraj svake upravljačke jedinice nalazi baterija. Baterija koja napaja sustav upravljanja traje

najmanje 48 sati. Pitanje je što bi se trebalo desiti u slučaju kada potpuno nestane napajanje.

Ostaju li vrata zaključana ili se otključavaju?[4]

Mbed NXP LPC1768 je mikroupravljač iz serije ARM-ovih mikroupravljača koji su

dizajnirani za jednostavnost i brzo stvaranje prototipa. Sadrži ugrađenu flash memoriju te

ugrađen flash programator. Sadrži 32-bitni ARM Cortex-M3 procesor, te 512 KB flash

memorije, 32 KB RAMa te razna sučelja uključujući i Ethernet, CAN, I2C, SPI, USB, DAC, ADC,

PWM, te ulazno izlazne jedinice. [5]

I2C („Inter Integrated Comunication“) komunikacija je tip komunikacije kojeg jer

razvila tvrtka Phillips u 70-im godinama prošlog stoljeća. Ovaj tip komunikacije postao je

popularan jer se korištenjem samo dvije žice može komunicirati sa do 127 drugih uređaja.

Jedan ili više uređaja su master tipa, dok su svi ostali slave tipa. Adresa se sastoji od sedam

bitova, dok zadnji, odnosno osmi bit označava operaciju čitanja, odnosno pisanja. Linija SDA

označava dvosmjernu, open drain , liniju koja se koristi da prenese bitove informacija, dok

SCL linija označava liniju na kojoj se generira sat (clock) od strane master uređaja. Obje linije

su spojene preko pull-up otpornika na napajanje. Tipične vrijednosti napona su ili +5V ili

3.3V. Standardne brzine ovog protokola su 100 kbit/s, 400 kbit/s, 1 Mbit/s, te najbrže 3.4

Mbit/s brzinski mod. Postoje četiri moda koja se koriste prilikom komunikacije ovim

protokolom: „master transmit“, „master recieve“, „slave transmit“, „slave recieve“. „Master

transmit“ mod, „master“ generira „clock“, te šalje podatke prema „slave-u“, „master

recieve“ mod kad „master“ prima podatke poslane sa „slave-a“, „slave transmit“, „slave“

šalje podatke „master-u“, te „slave recieve“, „slave“ prima podatke poslane s „master-a“.

Svaka poruka poslana na I2C protokolu počinje sa „start“ i završava sa „stop“ bitom. „Start“

bit označava stanje kada se na data liniji promjeni stanje iz logičke nule u logičku jedinicu,

16

dok je „clock“ u logičkoj jedinici, dok se kod „stop-a“ to označava prelaskom iz logičke

jedinice u logičku nulu dok je „clock“ u logičkoj jedinici“. [6]

literatura

4.4. Fizički sloj – žice

Na sredini svakog poda nalazi se mikroupravljač LPC1768, od kojeg je razvučeno pet žica

na svaku od četiri strane. Te žice služe za komunikaciju I2C protokolom, te su označene

bojama. Crvena je napajanje od 3.3V, smeđa napajanje od 5V, zelena je SDA linija kojom

putuju podaci, žutom bojom označena je SCL linija koja služi kao „clock“, te plavom bojom

masa, GND. Sa centralne jedinice su razvučene iste te četiri linije koje se spajaju na najbliži

pod.

Slika 2 Slika mikroupravljača LPC1768 u podu sa svim žicama

Na sredini svakog zida također se nalazi mikroupravljač LPC1768 sa kojeg je razvučeno

sedam žica do dna. Žice su označene bojama radi lakšeg spajanja. Tri žice služe kao za

napajanje, 5 volta, 3.3 volta, te masa. Dvije žice služe za komunikaciju I2C protokolom, SDA i

SCL, te dvije žice služe zidu da bi odredio na koju stranu poda je spojen. N tim žicama se

nalaze logičke razine ovisno o strani poda.

17

4.5. Detekcija spojenog poda

Centralna jedinica u svakom trenutku provjerava koje su adrese spojene na protokol, te

tako određuje koji je novi pod spojen, te kojim je redoslijedom spajanje vršeno. Moguće

adrese su spremljene u klasi AddressList, te je za određenu prostoriju dodijeljen komad od

deset adresa. Na početku pokretanja programa stvara se jedan objekt klase AddressList

naziva DACP, te se kasnije pomoću tog objekta određuju adrese spojenih podova. Važno je

napomenuti da se adrese dodjeljuju automatski, kao neka vrsta „DHCP-a“. Svi podovi na

početku imaju jednaku adresu. Kada centralna jedinica otkrije da je ta određena „defaultna“

adresa spojena na protokol, centralna jedinica uspostavi kontakt s tom adresom, odnosno s

mikroupravljačem u podu, te zatraži od njega odgovor, o kojoj vrsti poda se radi. Postavi

pitanje „Who are you?“. Nakon što mikroupravljač pošalje i centralna jedinica primi odgovor,

objektu DACP klase AddressList prosljeđuje se tip poda. Mogući odgovori su „Kitchen“,

„Livingroom“, „Bedroom“ i „Bathroom“. DACP provjeri u svjoj bazi adresa koja je sljedeća

adresa slobodna za određeni primljen odgovor, proslijedi ju u main, te je izbriše iz svoje

baze. Adresa se prosljeđuje na „defaultnu“ adresu, adresu poda koji je zadnji spojen, adresu

od koje je primljen odgovor, te mikroupravljač mijenja svoju „defaultnu“ adresu u tu novu

koju mu je dodjeljena od strane centralne jedinice. Ako objekt DACP ne posjeduje određenu

adresu iz područja adresa za podove, to znači da je adresa dodjeljenja podu i bira se sljedeća.

Nakon što je podu dodjeljenja adresa, stvara je objekt FloorType koji prima adresu novog

poda, te se taj objekt dodaje na kraj ArrayListe svih podova. Svaka sljedeća komunikacija sa

određenim podom vrši se preko objekta klase FloorType.

18

Slika 3 Maketa poda

4.6. Detekcija i orijentacija spojenog zida

U svakom zidu se također nalazi mikroupravljač LPC1768 koji ima dva različita I2C sučelja,

te je zbog toga omogućena nesmetana komunikacija između centralne jedinice i

mikroupravljača u podu pomoću prvog I2C sučelja i mikroupravljača u podu s

mikroupravljača u zidu preko drugog I2C sučelja. Tako komunikaciju možemo podijeliti na

dva dijela: „Sloj 1“ između master centralne upravljačke jedinice i slave-a, mikroupravljača u

podu, te „Sloj 2“ komunikaciju između master mikroupravljača u podu i slave

mikroupravljača u zidu. Za mikroupravljač u podu možemo reći da je master-slave tipa jer je

istovremeno i master i slave.

Osim četiri žice u podu koje vode na svaku stranu koje služe za komunikaciju između

podova („Sloj 1“), postoji još šest žica koje služe za komunikaciju između poda i zida („Sloj

2“), i za određivanje orijentacije zidova.

Četiri linije, od ukupno šest, koje vode prema zidovima služe za komunikaciju i napajanje,

isto kao i kod žica između podova, dok ostale dvije žice služe zidu za određivanje orijentacije.

Te dvije žice su konstantno na određenim logičkim razinama, a vrijednost ovisi o strani na

koju vode. Tako na stranu „0“, logičke razine žica su „0“ i „0“, što označava prvu stranu.

19

Sljedeće razine su „0“ i „1“ za drugu stranu, „1“ i „0“ ta treću stranu, te „1“ i „1“ za četvrtu

stranu poda. Nakon spajanja zida, zid provjerava naponske razine na tim dvjema žicama tako

da odredi na koju stranu poda je spojen, te ovisno o tome si dodjeljuje jednu od četiri

moguće adrese na protokolu. Nakon što si je mikroupravljač u zidu dodijelio adresu,

mikroupravljač u podu uspostavlja kontakt s mikroupravljačem u zidu, zahtijevajući od zida

da se predstavi. Nakon uspostavljenog kontakta, pod šalje podatak o kojem se zidu radi i na

koji dio poda je spojen na centralnu upravljačku jedinicu. Taj podatak se sprema unutar

objekta tipa FloorType koji odgovara tom podu na kojeg je zid spojen.

Slika 4 Slika mikroupravljača na modelu zida

20

Svaka sljedeća komunikacija između centralne jedinice odvija se preko objekta poda tipa

FloorType.

4.7. Detekcija isključenja

Centralna jedinica konstantno provjerava koje su adrese vidljive na protokolu odnosno

radi pozivanje (eng. polling) svih adresa. Pozivanje znači da se uspostavi veza sa svakom

adresom posebno, te provjerava, ima li odgovora. Ako određena adresa koja je bila

dodijeljena podu nije više vidljiva tijekom pregleda svih adresa, tada se briše objekt tipa

FloorType koji je bio dodijeljen tom podu, te se ta adresa vrača u bazu u objekt tipa DACP

klase AdressList iz kojeg je prvotno izbrisana.

Nakon vračanja u bazu, baza se sortira, te se svakom novom podu tog tipa dodjeli ta

nova, slobodna adresa.

4.8. Grafičko sučelje

Grafičko sučelje modularne pametne montažne kuće rađeno je u Java programskom

jeziku uz pomoć Swing API-a. Swing ubrzava programiranje tako što korisnik koristi već

određeni set alata, bez da ih sam izrađuje. U izradi grafičkog sučelja za sustav pametne

modularne montažne kuće pomogao je moj mentor Tomislav Novak.

Grafičko sučelje pametne montažne modularne kuće sastoji se od dva dijela. Prvi dio

nalazi se na lijevoj polovici zaslona te prikazuje koji podovi, odnosno prostorije su spojene na

centralnu jedinicu.

Slika 5 Oznaka kuhinje na grafičkom sučelju

21

Slika 6 Oznaka dnevnog boravka na grafilčkom sučelju

Slika 7 Oznaka blagovaone na grafičkom sučelju

Slika 8 Oznaka kupaone na grafičkom sučelju

Klikom na bilo koju od ovih ikona otvara se prozor preko kojeg se može direktno

upravljati prostorijom. Pomoću tog prozora mogu se paliti ili gasiti svijetla, te očitavati i

namještati željenu temperaturu prostorije.

22

Slika 9 Prozor za upravljanje (room manager)

Drugi dio grafičkog sučelja nalazi se s desne strane, te prikazuje način spajanja modula u

cjelinu.

U početku, prije spajanja modula, grafičko sučelje je prazno.

Slika 10 Prazno grafičko sučelje

23

Spajanjem prvog modula (kuhinje) na centralnu jedinicu, na grafičkom sučelju pojavi se

gumb preko kojeg se kontrolira prostorijom, te se pojavljuje slika tog modula.

Slika 11 Grafičko sučelje s podom kuhinje

Spajanjem zida sa prozorom na pod pojavljuje se nadograđeni prikaz koji je vidljiv na slici 12.

Slika 12 Grafičko sučelje s podom kuhinje i jednim zidom

Spajanjem još jednog zida na isti pod dobivamo točnu sliku. Zidovi su spojeni jedan do

drugoga.

24

Slika 13 Grafičko sučelje s jednim podom i dva susjedna zida

Dodavanjem dodatnog poda, povećava se grafičko sučelje. Novododani pod je pod

blagovaone koji je dodan sa strane gdje nema zidova.

Slika 14 Grafičko sučelje s dva poda i dva susjedna zida

Prikazan je finalni oblik makete kuće. Za sastavljanje kuće korišteno je dva poda i dva zida sa

ukupno jednim Raspberry Pi uređajem i četiri LPC1768 mikroupravljača.

Također, prikazana je slika sastavljene makete.

25

Slika 15 Maketa modularne pametne montažne kuće

4.9. Shema spajanja Električna shema spajanja prikazuje način spajanja podova, zidova i centralne jedinice.

Koristi se I2C protokol koji na linijama SDA i SCL ima pull-up otpornike vrijednosti 2.2 kΩ.

Pull-up otpornici se stavljaju da bi se osigurala logička vrijednost na liniji kada se odspoji

strujni krug.

Na slici je prikazan Raspberry Pi B, na kojeg su spojeni mikroupravljači iz „Poda 1“ i „Poda

2“. Na oba poda spojeni su dodatna dva zida.

26

Slika 16 Shema na kojoj je prikazana centralna jedinica, dva mikroupravljača iz poda, te četiri mikroupravljača iz zida

5. Problemi prilikom izrade rješenja

Prikilom izrade rješenja javili su se mnogi problemi. Za neke postoje jednostavna rješenja,

dok su za druge potrebna složena. U početku, nakon razrade ideje, bilo je potrebno odrediti

sve potrebne komponente koje bi se koristile prilikom izrade. Bila je potrebna centralna

jedinica koja svojom operativnom snagom može podnijeti razne zadatke koji se od nje

zahtijevaju, kao što je upravljanje jedinicama preko određenog protokola, te prikazivanje

grafičkog sustava u realnom vremenu. Osim tog, gledana je jednostavnost korištenja, te

cijena. Odabran je „Raspberry Pi B“ jer zbog svoje jednostavnosti i cijene daleko premašuje

slične uređaje. Za korištenje „Raspberry Pi“ potrebna je SD kartica s minimalno 4 GB

slobodnog prostora. Da bi se uopće osposobio za rad, potrebno je na SD karticu pomoću

računala ili laptopa koji ima sučelje za SD karticu snimiti operativni sustav, u ovom slučaju

„Raspbian“ operativni sustav. Nakon toga, kartica se umetne u položaj za SD karticu na

„Raspberry Pi-u“, te se „RPi“ spoji na napajanje od pet volta dovedeno preko micro USB

kabela.

Kod odabira mikroupravljača koji se nalaze u podovima i zidovima, važan čimbenik je bio

broj dostupnih nožica. Zbog jednostavnosti programiranja te sastavljanja korišten je I2C

protokol na kojeg se može spojiti do 127 različitih uređaja jer protokol koristi 8 bita, od kojih

7 za adrese i jedan za naredbu čitanja ili pisanja. Iako je prvotno odabran „Arduino UNO“ za

taj dio, kasnije je odabran mBed LPC1768 mikroupravljač jer na sebi ima dva odvojena I2C

sučelja koji se mogu zasebno adresirati. Prvo I2C sučelje se koristi za komunikaciju između

Rasberry Pi-a i LPC1768 mikroupravljača u podovima, dok se drugo sučelje koristi za

komunikaciju između LPC1768 mikroupravljača u podovima, te istog tog mikroupravljača u

zidovima.

Žice koje se koriste za komunikaciju i napajanje izvučene su iz ethernet kabela. Svaka žica

označena je određenom bojom te se ta boja koristi za istu funkciju kroz cijelu kuću, na

primjer, plava za masu, smeđa za napajanje od pet volti, zelena kao SDA linija s podacima.

Slika 17 Prikaz boja linija

Podovi se mogu spajati bilo kojom orijentacijom. Zbog toga žice koje dolaze iz

podova, se moraju moći spojiti sa susjednim podom. Konektor mora biti univerzalni,

odnosno jednak na svim stranama, jer se isti pod može spojiti na drugi s četiri različite

orijentacije. Na svakoj strani poda se nalazi pet žica koje se koriste za napajanje, te za

komunikaciju između mikroupravljača u podu i centralne jedinice. Svaka žica je spojena na

ženski konektor koji se koji se spaja s drugim ženskim konektorom, sljedećeg poda, preko

dvostranog muškog headera. Time je omogućeno spajanje bilo kojom orijentacijom.

Slika 18 Prikaz konektora

6. Mogučnost nadogradnje

6.1. Zaslon s dodirom

Kao što to i sama riječ govori, zaslon s dodirom (eng. touch screen) je ulazna jedinica

računala koja se nalazi na površini zaslona računala. Takav zaslon omogućuje direktnu

interakciju sa onime što je prikazano, a lakše se koristi nego uobičajeni miš i tipkovnica.

Zaslon s dodirom se danas može pronaći svugdje, na mobitelima ili tabletima, na

automatima za naručivanje hrane, na postajama za informacije u trgovačkim centrima, pa i

na pametnim ručnim satovima. Takvi zasloni su u današnje vrijeme ljudima svakodnevica, a

djeca takve uređaje nauče koristiti puno brže od bilo kakvih drugih uređaja. To je jedan od

najboljih načina interakcije s tehnologijom koja nas okružuje.

Na tržištu postoje razni zasloni s dodirom koji su kompatibilni sa „Raspberry Pi“

platformom. Takvi zasloni nude jednostavno spajanje i korištenje, no veličinom su najčešće

mali, do 17 centimetara. Također, postoji mogućnost nadogradnje na pojstojećeg zaslona na

zaslon sa kapacitivnim modulom. Takav modul se ugrađuje na postojeći zaslon, određuje

koordinate prsta na zaslonu, te postavlja pokazivač na to mjesto. Uz to što je ekran spojen

preko HDMI sučelja, zaslon na dodir se spaja na određene ulazne jedinice na „Raspberry Pi“.

6.2. Bežična komunikacija

Bežična komunikacija može se susresti bilo gdje, a najčešća primjena je spajanje

mobilnog telefona ili osobnog računala na „Wi-Fi“ bežičnu mrežu. Prednost ove

komunikacije je u tome da se uređaji ne povezuju žicama, a komunikacija se vrši

elektromagnetskim valovima kroz zrak.

Najčešće korišteni protokoli u ovoj komunikaciji su Wi-Fi, Zigbee, te Bluetooth.

Udaljenost na kojoj se može komunicirati ovim protokolima je od deset do sto metara,

ovisno o preprekama.

Kod sustava modularne pametne montažne kuće, bežična komunikacija bi se ostvarila

tako da bi se kod centralne jedinice, u svakom podu, te u svakom zidu pored mikroupravljača

nalazio modul za bežičnu komunikaciju koji bi komunicirao sa okolnim modulima. Prvotna

komunikacija bi se uspostavila između prvog dodanog poda i centralne jedinice, centralna

jedinica bi prepoznavala podove po njihovim MAC adresama, te bi se dodijelila funkcija na

temelju opsega unutar kojeg se adresa nalazi. Svi moduli unutar podova, te moduli unutar

zidova bi imali svoj jedinstven opseg adresa.

Centralna jedinica treba primati signale sa svih podova neometano. Jedan od problema

koji bi mogao nastati su smetnje prouzročene zbog udaljenosti i broja zidova između

centralne jedinice i određenog poda. U svakom slučaju, komunikacija između jedinica bi se

trebala izvršavati nesmetano.

Problem koji bi također mogao nastati kod ovakve komunikacije je zagušenje spektra

frekvencija zbog velikog broja uređaja na malom prostoru. Moglo bi doći do zagušenja i

preklapanja signala, što bi nepovoljno utjecalo na krajnji doživljaj korisnika.

U konačnici, svaki protokol ima svoje prednosti i svoje mane.

6.3. Katovi

Kod sustava modularne pametne montažne kuće obrađeni su svi mogući slučajevi kada

se radi o jedno etažnoj gradnji. Glavna komunikacija između svih dijelova kuće vrši se kroz

žice koje se nalaze u podovima. U slučaju da korisnik želi dignuti roletu u spavaćoj sobi, to

možemo učiniti tako da na centralnoj jedinici damo zapovijed, centralna jedinica to proslijedi

mikroupravljaču u podu, koji to dalje proslijedi mikroupravljaču u zidu koji podigne roletu.

Kada se roleta podigne, te senzor to očita, šalje se podatak sa mikroupravljača u zidu, preko

mikroupravljača u podu, prema centralnoj jedinici. U slučaju da korisnik želi izgraditi dva ili

više katova, postoji više mogućnosti.

Prva mogućnost je da se preko posebnog zida koji u sebi sadrži jednak raspored žica koje

se koriste za povezivanje podova, poveže jedan pod sa nižeg kata sa jednim podom sa višeg

kata, te se uspostavi komunikacija prema jednoj centralnoj jedinici. U tom slučaju jedna

centralna jedinica upravljala bi sa svim mikroupravljačima u podovima na svim katovima.

Prednost takvog sustava bila bi njegova jednostavnost. Uz malo dodatnog mijenjanja i

programiranja mogla bi se uvesti ova funkcionalnost. Mana ovakvog sustava je u tome što se

za jedan protokol koji koristi za komunikaciju koristi mnogo adresa, velika udaljenost i

površina, te bi se moralo voditi računa o tome kako se slažu moduli te kako smetnje utječu

na taj sam sustav.

Druga mogućnost je da svaki kat sadržava svoju centralnu jedinicu, odnosno da svaki kat

funkcionira kao da je zasebna jednoetažna kuća. Postojala bi jedna centralna jedinica koja bi

upravljala drugim centralnim jedinicama na drugim katovima koja bi sa njima komunicirala

nekim bežičnim protokolom. U slučaju da korisnik želi uključiti svjetlo na prvom katu, tada

pritisne odgovarajući gumb na grafičkom sučelju, glavna centralna jedinica proslijedi tu

zapovijed prema centralnoj jedinici na prvom katu koja to proslijedi mikroupravljaču u podu

te prostorije. Tada mikroupravljač u podu proslijedi tu zapovjed prema mikroupravljaču u

zidu koji uključi svijetlo. Prednost ovakvog sustava bila bi u tome što bi sustav bio pouzdaniji

i brži zbog većeg broja zasebnih centralnih jedinica.

6.4. Internet aplikacija Trenutni sustav modularne pametne montažne kuće pokreće se samo lokalno, na

Raspberry Pi-u, te mu se ne može pristupiti izvana. Upravljati sustavom može se samo preko

zaslona spojenog na centralnu jedinicu. Koristeći Web aplikaciju korisnik može nadzirati i

upravljati sustav preko interneta koristeći računala. Prednost toga je što se u svakom

trenutku, ako je dostupna internet veza, može provjeriti stanje kuće. Mana ovog sustava je

što bi se povećala mogućnost hakiranja.

7. Zaključak

Tema ovog završnog rada bila je izrada sustava za upravljanje modularno pametne

montažne kuće. Koristeći Raspberry Pi B, mBed LPC1768, programske jezike Java i C++, I2C

protokol, te Raspbian operativni sustav, uspješno je kreiran sustav za upravljanje modularne

pametne montažne kuće.

Predloženo riješenje ima mogučnost deteckije podova i zidova tjekom spajanja, te iz

tih informacija, stvaranja grafičkog sučelja. Grafičkim sučeljem moguće je upravljati i

dobivati povratne informacije.

Iako su se neke od korištenih tehnologija koristile samo u svrhu dokazivanja koncepta, a

ne za stvarnu primjenu, sustav se može uz dodatak određenih novih tehnologija prilagoditi

stvarnim zahtjevima. Ovaj rad može poslužiti kao osnova za daljnje istraživanje, nadogradnju,

te poboljšanje trenutnih sustava upravljanja kod pametnih kuća.

8. Literatura

[1] What is home automation and how does it work? , 24.06.2016

[2] Machine to Machine, 24.06.2016.

[3] Domus Plus, 24.06.2016.

[4] http://www.raspberrypi.org, 24.06.2016

[5] https://developer.mbed.org/platforms/mbed-LPC1768/ 24.06.2016.

[6] I2C protocol, 24.06.2016.