UNIVERZITET U KRAGUJEVCU FAKULTET TEHNIKIH NAUKA

AAK

INTERNI IZVETAJ

SISTEM ZA MONITORING TOPLOTNE KOMFORNOSTI U RADNOM I

IVOTNOM PROSTORU

PROJEKAT TR32043 MINISTARSTVO PROSVETE, NAUKE I TEHNOLOKOG RAZVOJA

LABORATORIJA ZA RAUNARSKU TEHNIKU

AAK 2013.

Projekat: Verzija: 1.01

Razvoj i modelovanje energetsko efikasnih,

adaptibilnih, vieprocesorskih i viesenzorskihelektronskih sistema male snage

TR32043

Laboratorija za raunarsku tehniku Datum: 14. februar 2013

Projekat je finasiran od strane Ministarstva za prosvetu nauku i tehnoloki razvoj u okviru ciklusa tehnolokog razvoja za period 2011 2014. godina

1

SISTEM ZA MONITORING TOPLOTNE KOMFORNOSTI U RADNOM I IVOTNOM PROSTORU

Toplotni komfor predstavlja skup mikroklimatskih uslova pod kojima se ovek osea ugodno. Oseaj temperaturne komfornosti zavisi od brojnih faktora koji se mogu podeliti na personalne faktore i ambijentalne faktore. Personalni faktori zavise od aktivnosti koju osoba

obavlja (leanje, sedenje, kretanje), uzrasta, pola i fizikog stanja osobe, kao i od naina odevanja. Ambijentalni faktori obuhvataju faktore koji mogu uticati na oseaj temperaturne komfornosti, a da nisu direktno vezani za oveka. Oni obuhvataju temperaturu i vlanost vazduha, brzinu strujanja vazduha i toplotno radijaciono zraenje. Temperatura vazduha predstavlja parametar na osnovu koga telo sa lakoom moe definisati razliku izmeu termiki komfornih i nekomfornih uslova. Za razliku od temperature, ovekov organizam nije u stanju da detektuje promenu relativne vlanosti vazduha koja znaajno moe da utie na oseaj temperaturne komfornosti. Primarni mehanizam za regulaciju telesne temperature baziran je na transpiraciji vode putem koe na osnovu kojeg se telo oslobaa suvine toplote. Ukoliko relativna vlanost vazduha postane previe visoka, koa nee biti u stanju da se oslobaa vika tenosti kako bi se telo rashladilo. Zbog ovog efekta ovek osea viu temperaturu od realne, to dovodi do znojenja, a u ekstremnim uslovima moe dovesti do

toplotnog udara. U sluaju niske relativne vlanosti koa e mnogo lake da gubi vlagu, to e usled isparavanja oveku stvoriti utisak nie temperature od realne. To dovodi do isuivanja koe, a u ekstremnim uslovima moe da dovede do smrzavanja. Strujanje vazduha poveava oslobaanje toplote sa ovekove koe, jer pospeuje transpiraciju vode kroz kou, to dovodi do oseaja nie temperature od realne. Toplotno radijaciono zraenje predstavlja zraenje koje potie od toplotnih izvora i ono spreava oslobaanje toplote preko koe to dovodi do oseaja poveane temperature od realne. Skala temperaturne komfornosti definisana je internacionalnim standardom ISO7730, kao skala sa sedam stanja temperaturne komfornosti

baziranih na toplotnom balansu ljudskog tela (tabela 1).

Projekat: Verzija: 1.01

Razvoj i modelovanje energetsko efikasnih,

adaptibilnih, vieprocesorskih i viesenzorskihelektronskih sistema male snage

TR32043

Laboratorija za raunarsku tehniku Datum: 14. februar 2013

Projekat je finasiran od strane Ministarstva za prosvetu nauku i tehnoloki razvoj u okviru ciklusa tehnolokog razvoja za period 2011 2014. godina

2

Tabela 1. Skala temperaturne komfornosti Vrednost Opis

+3 Vrue+2 Toplo+1 Umereno toplo0 Normalno-1 Umereno hladno-2 Hladno-3 Vrlo hladno

Standard definie predvienu srednju ocenu temperaturne komfornosti, PMV (eng. Predicted Mean Vote), koja predstavlja srednju vrednost glasova populacije na sedmostepenoj

skali temperaturne komfornosti. Srednja ocena temperaturne komfornosti nalazi se preko

toplotnog balansa ljudskog tela koji predstavlja razliku toplote generisane metabolikim procesom MW i sume toplotnih gubitaka koje ljudsko telo predaje okolini Hi.

iS HMWTPMV (1) Kako bi se na bazi toplotnog balansa dolo do srednje ocene temperaturne komfornosti

koristi se transformacioni koeficijent temperaturne komfornosti TS koji se izraunava prema sledeoj formuli:

028.0303.0 036.0 MS eT (2) Metabolika toplota jednaka je razlici metabolike snage M i spoljanjeg rada koje

ljudsko telo obavlja W. Toplotni gubici potiu od skupa termodinamikih procesa koji se odvijaju izmeu ljudskog tela i njegove okoline i mogu se podeliti u est kategorija:

Toplotni gubici kondukcijom kroz kou H1 Toplotni gubici usled znojenja H2 Gubitak latentne toplote disanjem H3 Gubitak toplote disanjem H4 Toplotni gubitak usled zraenja toplote H5 Toplotni gubitak usled konvekcije H6

Metabolika snaga M, zavisna je od fizike aktivnosti, iji nivoi snage su definisani standardom ISO8996, a neki od osnovnih nivoa aktivnosti prikazani su u tabeli 2, gde Met

predstavlja indeks metabolike aktivnosti.

Projekat: Verzija: 1.01

Razvoj i modelovanje energetsko efikasnih,

adaptibilnih, vieprocesorskih i viesenzorskihelektronskih sistema male snage

TR32043

Laboratorija za raunarsku tehniku Datum: 14. februar 2013

Projekat je finasiran od strane Ministarstva za prosvetu nauku i tehnoloki razvoj u okviru ciklusa tehnolokog razvoja za period 2011 2014. godina

3

Tabela 2. Nivoi metabolike aktivnosti Metabolika toplotna snaga Metabolika aktivnost W/m2 Met

Leanje 46 0.8 Sedenje 58 1.0 Rad u kancelariji 70 1.2 Stajanje 93 1.6 Laki fiziki rad 116 2.0 etanje 3km/h 140 2.4 etanje 4km/h 165 2.8 etanje 5km/h 200 3.4

Nain odevanja znaajno utie na oseaj temperaturne komfornosti, pa se stoga definie toplotni izolacioni koeficijent odee CLO koji je definisan standardom ISO9920, a neke od osnovnih vrsta odee i odgovarajuih vrednosti toplotnog izolacionog koeficijenta odee prikazani su u tabeli 3.

Tabela 3. Izolacioni koeficijenti odee Izolacioni koeficijent odeeOdea

m2K/W CLOBez odee 0.00 0.0 Letnja odea (orts, majica, sandale) 0.05 0.3 Letnja odea (pantalone, majica, cipele) 0.08 0.5 Prolena odea (pantalone, koulja, cipele) 0.11 0.7 Zimska odea (pantalone, demper, jakna, cipele) 0.20 1.3

Srednja ocena temperaturne komfornosti predstavlja srednju vrednost glasova. Pri tome

neophodno je znati i procenat populacije iji glasovi znaajno odstupaju od normalne vrednosti indeksa toplotne komfornosti, kojima predviena srednja ocena temperaturne komfornosti nee odgovarati. U grupu populacije nezadovoljne procenjenom ocenom temperaturne komfornosti spadaju oni kojima su procenjeni uslovi vrui, topli, svei ili hladni. Procenat populacije koji spada u grupu nezadovoljnih procenom temperaturne

komfornosti nalazi se pomou sledee formule: 24 2179.003353.095100 PMVPMVePPD (3)

Ureaj predstavljen ovim tehnikim reenjem klijentima prua informacije o vrednostima parametara toplotne komfornosti, PMV i PPD, na zahtev klijenta putem HTTP

protokola. Blok ema upotrebe realizovanog ureaja u lokalnoj mrei prikazana je na slici 1.

Projekat: Verzija: 1.01

Razvoj i modelovanje energetsko efikasnih,

adaptibilnih, vieprocesorskih i viesenzorskihelektronskih sistema male snage

TR32043

Laboratorija za raunarsku tehniku Datum: 14. februar 2013

Projekat je finasiran od strane Ministarstva za prosvetu nauku i tehnoloki razvoj u okviru ciklusa tehnolokog razvoja za period 2011 2014. godina

4

Slika 1. Pristup ureaju za monitoring toplotne komfornosti u lokalnoj mrei

Ureaj je mogue implementirati u okviru lokalne mree i pristupati mu sa nekog od raunara u mrei ili ako ureaj poseduje javnu IP adresu mogue mu je pristupati sa bilo koje lokacije u svetu koja ima pristup Internetu. Ureaj ima i lokalni prikaz vrednosti sa senzora na LCD displeju kao i vrednost komfora na sedmostepenoj skali toplotne komfornosti

ukljuivanjem LED diode odgovarajue boje. Ureaj za monitoring toplotne komfornosti realizovan je kao nezavisan ureaj koji je

zasnovan na osmobitnom Microchip PIC 18F4620 mikrokontroleru. PIC 18F4520 je 40-

pinski RISC mikrokontroler sadri 64 KB Flash memorije, 3.875 KB RAM memorije i 1024

B EEPROM memorije. On moe raditi na taktu do 40 MHz na kojem postie performanse od

10 MIPSa. Mikrokontroler poseduje dva komparatora, 10bitni A/D konvertor sa 13 analognih

ulaza i niz digitalnih magistrala. Namenjen je za rad u naponskom opsegu od 4.2 do 5.5V, dok

potronja struje iznosi oko 25mA.

Za merenje temperature i relativne vlanosti vazduha koristi se SHT11 digitalni senzor.

Ovaj senzor se sastoji iz kapacitivnog senzorskog elementa za merenje relativne vlanosti,

silicijumskog senzora za merenje temperature i komunikacionog interfejsa za SMBus

magistralu. Svaki SHT11 senzor je individualno kalibrisan u komori sa precizno regulisanom

vlanou vazduha pri emu su kalibracioni koeficijenti smeteni u internoj memoriji senzora. SHT11 senzor odlikuje jako niska potronja elektrine energije od 3mW u radnom i 5W u neaktivnom reimu, dok se napon napajanja senzora moe kretati u granicama od 2.4 do 5.5V.

Merenje radijacione temperature se obavlja preko DS18B20 digitalnog senzora koji je

direktno izloen radijacionom zraenju okoline. Ovaj poluprovodniki senzor namenjen je za

Projekat: Verzija: 1.01

Razvoj i modelovanje energetsko efikasnih,

adaptibilnih, vieprocesorskih i viesenzorskihelektronskih sistema male snage

TR32043

Laboratorija za raunarsku tehniku Datum: 14. februar 2013

Projekat je finasiran od strane Ministarstva za prosvetu nauku i tehnoloki razvoj u okviru ciklusa tehnolokog razvoja za period 2011 2014. godina

5

merenje temperature u opsegu -55C do +125C, dok u opsegu od -10C do +85C postie

tanost od 0.5 C. Senzor poseduje 12-bitni A/D konvertor kojim mu obezbeuje rezoluciju merenja temperature sa korakom od 0.0625C. Sa mikrokontrolerom se povezuje preko

OneWire digitalnog interfejsa, koji zahteva samo jednu komunikacionu liniju. Senzor

DS18B20 se odlikuje vrlo niskom potronja elektrine energije od 5mW u radnom i 5W u neaktivnom reimu, dok se napon napajanja senzora moe kretati u granicama od 3 do 5.5 V.

Anemometar predstavlja opcioni senzor ovog ureaja i koristi se za merenje brzine strujanja vazduha u zatvorenom prostoru, odnosno brzine vetra na otvorenom prostoru. Ureaj se moe koristiti sa anemometrima sa oljicama ili ultrazvunim anemometrima, kod koga smer strujanja vazduha ne utie na promenu oitavanja brzine strujanja vazduha. Izlaz anemometra moe biti analogan ili digitalan, stoga u ureaju postoji kratkospojnik koji izlaz anemometra dovodi na analogni ili digitalni ulaz. Kod anemometra sa analognim izlazom,

vrednost izlaza je direktno proporcionalna brzini strujanja vazduha, dok je kod digitalnog

anemometra frekvencija signala direktno proporcionalna brzini strujanja vazduha. Analogni

ulaz se kratkospojnikom povezuje sa ulazom A/D konverotra mikrokontrolera, dok se

digitalni ulaz kratkospojikom povezuje sa brojaem mikrokontrolera. Interakcija korisnika sa ureajem omoguena je korienjem komunikacione kartice

koja mu obezbeuje interfejs ka Ethernet mreama. Kartica je zasnovana na ENC624J40 primopredajniku za 10BaseT/100BaseTX Ethernet komunikaciju. One poseduje i

odgovarajuu RJ-45 Ethernet prikljunicu sa izolacionim transformatorima. Signalizacija uspeno uspostavljene Ethernet veze, kao i aktivnosti na Ethernet mrei signaliziraju se preko

dve LED diode. Korienjem tastera koji se nalazi u ureaju, mogue je restartovati ureaj sa fabrikim podeavanjima.

Vizuelna interakcija sa korisnikom mogua je i preko LCD displeja i sedmostepene LED skale toplotne komfornosti. LCD displej predstavlja alfanumeriki displej kapaciteta 2x16 karaktera, na kojem se ciklino prikazuju vrednosti izmerenih ambijentalnih parametara, kao i vrednosti izraunate toplotne komfornosti. Sedmostepena LED skala toplotne komfornosti, predstavlja niz od sedam trobojnih LED dioda, ijim ukljuivanjem se odgovarajuom bojom korisniku vizuelno prikazuje vrednost temperaturnog komfora. Boje

Projekat: Verzija: 1.01

Razvoj i modelovanje energetsko efikasnih,

adaptibilnih, vieprocesorskih i viesenzorskihelektronskih sistema male snage

TR32043

Laboratorija za raunarsku tehniku Datum: 14. februar 2013

Projekat je finasiran od strane Ministarstva za prosvetu nauku i tehnoloki razvoj u okviru ciklusa tehnolokog razvoja za period 2011 2014. godina

6

koje prikazuje skala, dobijene su meanjem osnovnih boja crvene, plave i zelene LED diode u

odgovarajuim odnosima. Softverska podrka za ureaj realizovana je u programskom jezika C pomou razvojnog

okruenja MikroC PRO za PIC mikrokontrolere. MikroC PRO predstavlja razvojni alat koji

omoguava jednostavno razvijanje aplikacija, programiranje i analizu rada aplikacija za PIC mikrokontrolere. MikroC PRO sadri vie biblioteka koje se mogu koristiti da bi se ubrzao

razvoj softvera, posebno onih delova koji se odnose na prikupljanje podataka, memoriju,

prikaz podataka na displeju, komunikaciju, konverziju i sl. Posebno vana biblioteka koja se

koristi u ovom softverskom reenju je SPI_Ethernet biblioteka koja omoguava realizaciju Web servera na PIC mikrokontroleru. Pri tome se koristi rutina SPI_Ethernet_doPacket() koja

procesira pristigle Ethernet pakete. Pri tome je takoe u kodu postavljeno da aplikacija oslukuje TCP zahteve na portu 80. Kada se dobije TCP zahtev poziva se interno od strane

biblioteke funkcija SPI_Ethernet_UserTCP() koja vri dalje procesiranje. Sadraju HTTP

zahteva pristupa se koristei SPI_Ethernet_Get rutinu. Na kraju da bi se formirao odgovor podaci se postavljaju u prenosni bafer koristei SPI_Ethernet_Put rutinu. Funkcija treba da vrati broj bajtova od HTTP odgovora ili nulu ako nema podataka za prenos u vidu odgovora.

Softversko reenje na PIC mikrokontroleru u osnovi sadri funkcije za itanje vrednosti mernih veliina sa prikaenih senzora (SHT11), kao i funkcije koje e na osnovu zadatih i izmerenih parametara izraunati indekse toplotne komfornosti, PMV i PPD. Pored dela softvera koji je zaduen za procesiranje HTTP zahteva ureaj ima softversku podrku za samostalnu indikaciju o uslovima ambijentalnog komfora. Vrednosti izmerenih veliina mogu biti aurno prikazane na LCD displeju ureaja dok odgovarajua programska logika je zaduena da na osnovu predefinisanih parametara vri indikaciju preko sedmostepene LED

skale o trenutnim uslovima u ambijentu.

Tokom sprovedenog istraivanja dolo se do odreenih rezultata koji su prikazani u sledeim publikacijama:

[1] Duan Markovi, Uro Peovi i Sinia Rani, Sistem za monitoring toplotne komfornosti u radnom i ivotnom prostoru, YU INFO 2012,

Kopaonik

Projekat: Verzija: 1.01

Razvoj i modelovanje energetsko efikasnih,

adaptibilnih, vieprocesorskih i viesenzorskihelektronskih sistema male snage

TR32043

Laboratorija za raunarsku tehniku Datum: 14. februar 2013

Projekat je finasiran od strane Ministarstva za prosvetu nauku i tehnoloki razvoj u okviru ciklusa tehnolokog razvoja za period 2011 2014. godina

7

[2] Uro Peovi, Duan Markovi, eljko Jovanovi i Sinia Rani, System for thermal comfort monitoring in working and living environment, ICEST 2012, Veliko Trnovo, Bugarska