Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 22 (2), 468~479, 2018 SAKARYA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ DERGİSİ SAKARYA UNIVERSITY JOURNAL OF SCIENCE e-ISSN: 2147-835X Dergi sayfası: http://www.saujs.sakarya.edu.tr Geliş/Received 23-08-2017 Kabul/Accepted Doi 15-01-2018 10.16984/saufenbilder.335832 Çoklu modül destekli enerji etkin akıllı kontrol sistemi Doğan Başaran1 Büşra Karanfil2 Burak Tüysüz*3 ÖZ Akıllı kontrol sistemleri, yönetimi altında olan birimlerin kontrolünü kullanıcı etkisi olmaksızın gerçekleştiren sistemlerdir. Bu işlemler çeşitli yazılımlar aracılığıyla donanımların kontrol edilmesiyle gerçekleştirilmektedir. Günümüzde kullanılan akıllı kontrol sistemleri, yeni binalarda sıklıkla uygulama alanı bulmakla birlikte, görevleri genellikle konfor veya tasarruf amaçlı olmak üzere farklılıklar göstermektedir. Hala gelişim evresinde olan bu sistemler sayesinde günlük hayatta karşılaşılan birçok probleme maliyet etkin veya kullanıcı yükünü azaltan çözümler üretilebilmektedir. Bu çalışmada akıllı kontrol sistemlerinin kullanım alanlarının genişletilmesi ve bu sistemlerin faydalarının artırılması için çoklu modül destekli bir akıllı kontrol sistemi geliştirilmiştir. Geliştirilen sistem kullanıcıya birden fazla alanın aydınlatma, havalandırma ve iklimlendirme kontrolü ve belirli olumsuz sağlık koşullarında devreye girerek erken uyarı imkanı sağlamaktadır. Bunlara ek olarak, operatörün geliştirilen grafik ara yüzünü kullanarak tüm modüllere hakim olması ve verileri kontrol edebilmesi de sağlanmıştır. Bu makalede geliştirilen çoklu modül destekli akıllı kontrol sisteminin donanım ve yazılım bileşenleri tanıtılmış, operasyon aşamaları anlatılmış ve sistem ile yapılan testlerde etkileri gözlemlenmiştir. Buna göre sistemin kullanılmasıyla 126 m3 hacimli ve günde ortalama 456,89 W/h enerji tüketilen bir çalışma ortamında konfordan ödün vermeden enerjiden günde yaklaşık %35,81 tasarruf sağlandığı belirlenmiştir. Anahtar Kelimeler: sağlık, mesaj kuyruk telemetri taşıma, enerji verimliliği, akıllı kontrol sistemi A multi-module supported energy efficient intelligent control system ABSTRACT Systems that perform control of units under management without user influence are called intelligent control systems. These operations are performed by controlling the hardware through various software. Today's intelligent control systems often find applications in new buildings, but their tasks often differ, for comfort or savings. Thanks to these systems, which are still in the developmental stage, many problems encountered in daily life can be produced cost effective or user reducing solutions. In this study, a multi- module intelligent control system was developed to extend the usage areas of intelligent control systems 1 Recep Tayyip Erdoğan Üniversitesi Enerji Sistemleri Mühendisliği, [email protected] 2 Recep Tayyip Erdoğan Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği, [email protected] * Sorumlu Yazar / Corresponding Author 3 Recep Tayyip Erdoğan Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği, [email protected] 0468 D. Basaran and to increase their utility. The developed system provides the user with early warning by switching on lighting, ventilation and air conditioning control of several areas and in certain adverse health conditions. In addition, the operator has been able to control all the modules and control the data by using the developed graphical interface. The hardware and software components of the intelligent control system with multi module support developed in this article are introduced, the operation steps are explained and the effects are observed in the tests made with the system. According to this system, it is determined that energy saving of approximately 35.81% per day is achieved without compromising the comfort in a working environment with a volume of 126 m3 and an average energy consumption of 456.89 W / h per day. Keywords: health, mqtt, energy efficiency, intelligent control system vd. kullanıcıların tüketim miktarlarını ve bu 1. GİRİŞ (INTRODUCTION) tüketimin zamana bağlı sınıflandırmasını değerlendiren, bu değerlendirmelere göre enerji maliyetlerinin düzenlenmesini sağlayan bir sistem Enerji ihtiyacının her geçen gün artmasıyla birlikte geliştirmişlerdir. Tasarladıkları sistemle küçük bir enerji tüketiminde verimin önemi de artmaktadır. işletme veya bir evde enerji maliyetinden tasarruf Binalarda verimli enerji tüketimini sağlamak için sağlandığını öne sürmüşlerdir [5]. Şebeke ise yalıtım malzemeleri, merkezi ısıtma sistemleri merkezli sistemlerin genel olarak tasarruf ve termostatik vana kullanımı gibi donanımsal açısından uygun fakat verimlilik anlamında uygulamalar devam etmektedir [1]. Fakat yetersiz oldukları görülmektedir. Kullanıcı kullanılan cihazların otomatik olarak kontrol merkezli sistemlerde ise tüketicilerin edilemeyişi birtakım problemlere yol açmaktadır. iklimlendirme ve aydınlatma cihazları ile Gelişen teknolojiyle beraber enerjinin verimli gerçekleştirmiş oldukları tüketime doğrudan etki tüketiminde kontrol sistemleri önemli rol edilmektedir. Bu tür sistemlerde daha çok GSM oynamaya başlamıştır [2]. Böylece, kullanıcının tabanlı veya internet üzerinden kontrol imkanı bulunmadığı ortamlarda çalışan aydınlatma ve veren uygulamalar kullanılmaktadır. Han vd. iklimlendirme cihazlarının harcadığı güçte tasarruf yaptıkları çalışmada akıllı evler için Zigbee sağlanabilmekte ve hatalı kullanım nedeniyle modülü ile veri iletişimi sağlayan bir sistem cihazların daha çok enerji tüketerek ortam geliştirmiştir [6]. Geliştirilen sistemde IEEE koşullarını verimsizleştirmesi 802.15.4 protokolü kullanılarak mevcut cihazların engellenebilmektedir. Aynı zamanda bu kontrolünü gerçekleştirebilen bir akıllı ev sistemlerin insan sağlığı ve çevre için tehdit uygulaması geliştirilmiştir. Bu uygulamanın enerji içermiyor olmaları ve ihtiyaçlara göre kolaylıkla tüketimine olumlu yönde etki ettiği gözlemlenmiş tasarlanabilmeleri gerekmektedir. Akıllı kontrol ancak kullanılan donanımların maliyetinin sisteme sistemleri, bu ihtiyacı gidermek için en uygun ve bir yük getirerek kazançları azalttığı görülmüştür. kullanılabilir yöntemler arasında gösterilebilirler. Aynı zamanda kullanılan Zigbee modülü ile Bu sistemler bir yazılım ve bu yazılıma bağlı ortamdaki elektromanyetik kirlilik de çalışan donanım araçlarıyla kullanıcıların yerine artırılmaktadır [7]. Mevcut GSM tabanlı denetim ve komut/karar mekanizmalarını yerine uygulamalarda ise iklimlendirme, aydınlatma ve getirerek enerji tüketiminin kontrol edilmesini beyaz eşya gibi cihazlarının kullanıcı merkezli sağlayan sistemler olarak tanımlanabilir. olarak uzaktan kontrolü sağlanmaktadır. Bunun Son yıllarda hızla gelişen teknoloji ile birlikte yanı sıra kamera destekli sistemler geliştirilerek akıllı kontrol sistemlerinin kullanımı hızla güvenlik problemlerine karşı önlem alınmaya yaygınlaşmış ve birçok farklı sistem çalışılmaktadır. İnal vd. tarafından geliştirilen bir geliştirilmiştir [3]. Geliştirilen sistemler şebeke akıllı ev uygulaması kısa mesaj yoluyla cihazların merkezli ve kullanıcı merkezli olarak ikiye kontrolünün sağlanabildiği göstermiştir [8]. Fakat ayrılmaktadır. Şebeke merkezli sistemlerde bu yaklaşımda da GSM modem araçlarının kullanıcının tüketim alışkanlıklarına göre sistem maliyeti arttırdığı görülmüştür. Ayrıca sistem tarafından fiyatlandırma bazında tasarruf kullanıcıdan kısa mesaj yoluyla bir komut sağlanmaktadır [4]. Bu tarz sistemler aktif beklemekte olup gerçek zamanlı verileri sadece kullanım yapılan zaman aralığı ve tüketim miktarı gözlem amacıyla kullanmaktadır. Bu durumda gibi parametrelerden faydalanmaktadır. Conejo geliştirilen bu uygulama kullanıcıya uzaktan Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 22 (2), 468~479, 2018 0469 D. Basaran kontrol imkanı sunmakta ancak kullanıcının 2. ISI TRANSFER HIZININ kontrol yükünü azaltmamaktadır. Ayrıca HESAPLANMASI (HATE TRANSFER geliştirilen uygulamanın tek bir alan için kontrol RATE CALCULATION) sağlaması da etkisini azaltmaktadır. Özerdem vd. tarafından geliştirilen bir mobil uygulamada ise, Geliştirilen BAKS sisteminde ortamda bulunan ortamdaki kapıların açık veya kapalı olma iklimlendirme cihazının kontrolü için gerekli durumları kontrol edilmekte, en son alınan sıcaklık sıcaklık hesaplamalarının yapılması verileri kullanıcıya aktarılmakta, ortamda hareket gerekmektedir. Ancak normal koşullarda iç ortam algılandığı durumlarda ise kullanıcıya bildirim sıcaklığının hiçbir zaman sabit olmayıp, dış gönderilmekte ve aynı uygulamada ortamda ortamla ısı transferi halinde olmasının sistemin yangın olup olmadığı hakkında bilgi karar mekanizmasında hatalara sebep olabileceği sağlanmaktadır [9]. İklimlendirme ve aydınlatma düşünülmüştür. Bu sebeple, bina kabuğundaki cihazları üzerinde kontrolü bulunmayan bu dolu ve saydam alanların ısı transfer hızlarının uygulamanın sadece sınırlı gözlem ve uyarı hesaplanması için Şekil 1 ve Şekil 2’de gösterilen özelliklerine sahip olduğu gözlemlenmiştir. saydam yüzeyler ve dolgu alanlar için oluşturulan modeller kullanılmıştır. Şekil 1’de çift camlı bir Literatürde bulunan birçok benzer uygulamadaki saydam yüzeyin modeli verilmiştir. Bu modelde eksiklikler ve sistem kazancını düşüren (cid:1) dış alan, (cid:1) ise iç alanı gösteren ısıl olumsuzluklar irdelenerek bu çalışmada binalarda (cid:2)(cid:3) (cid:2)(cid:5) dirençlerdir. Ayrıca (cid:1) ve (cid:1) cam yüzeyin ısıl çoklu alan kontrolünü, enerji verimliliğini ve ideal (cid:2)(cid:6) (cid:2)(cid:7) direncini, (cid:1) ise iki cam arasındaki hava ortam şartlarını sağlamak için çoklu modül (cid:2)(cid:8) boşluğunun ısıl direncini göstermektedir. Şekil destekli bir akıllı kontrol sistemi olan Bileşik Akıllı Kontrol Sistemi (BAKS) geliştirilmiştir. 2’de gösterilen dolgu alan modelinde ise (cid:1)(cid:9)(cid:3) ve Geliştirilen sistemle, birden fazla alanda enerji (cid:1)(cid:9)(cid:7) sırasıyla iç alan ve dış alan ısıl dirençlerini verimliliği sağlamak ve bunun yanında ortam ifade etmektedir. Bunlara ek olarak, (cid:1)(cid:9)(cid:6), duvar koşullarını uygun seviyelerde tutmak yüzeyine uygulanan yalıtım materyali sebebiyle hedeflenmiştir. Ayrıca zehirli gaz salınımına yol oluşan ısıl direnci, (cid:1)(cid:9)(cid:8) ise duvarın oluşturduğu ısıl açan yangın, doğal gaz kaçağı gibi durumlarda da direnci belirtmektedir. Gösterilen ısıl direnç erken uyarı sağlanmıştır. Çoklu modül desteği, değerleri Eş. 1 ve Eş. 2 kullanılarak hesaplanmıştır sistemin sağladığı en önemli artılarındandır. Bu [10]. Burada; L kabuk elemanının kalınlığını, h iç özellik sayesinde tek merkezden yönetilen ve dış havanın ısısal taşınım katsayısını, k kabuk binalarda tüm birimlerde enerji tüketiminin takip elemanlarının ısı iletim katsayısını, A ise kabuk edilmesi, verimli tüketim yapılması ve ortam elemanının yüzey alanlarını ifade etmektedir. şartlarının takip edilerek uygun değerlerde Hesaplanan ısıl direnç değerlerinin Şekil 1 ve tutulması sağlanmaktadır. Böylece sistemin Şekil 2’de verilen modellerde gösterildiği gibi verimliliği artırılarak maliyeti de düşürülmektedir. toplanmasıyla farklı modeller için toplam ısıl Bu doğrultuda farklı işletim sistemlerinde uyumlu direnç değeri olan (cid:1) elde edilmektedir. (cid:11)(cid:12)(cid:13)(cid:14)(cid:15)(cid:16) şekilde çalışabilecek bir kontrol sistemi yazılımı da Python programlama dilinde QT Kütüphanesi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Geliştirilen BAKS sisteminin testleri yapılarak enerji verimliliğine olan etkisi incelenmiştir. Bu çalışmanın 2. bölümünde iklimlendirme cihazlarının doğru kullanımı için bina kabuğundaki ısı transfer hızının hesaplanmasında kullanılan modeller ve oluşturulan denklemler Şekil 1. Saydam yüzeylerin ısı transfer hızının ısıl dirençler verilmiştir. 3. bölümünde donanım ve yazılım alt kullanılarak modellenmesi. (Modeling of heat transfer rate of başlıkları altında geliştirilen BAKS sisteminin transparent surfaces using thermal resistances.) yapısı açıklanmıştır. 4. bölümünde tasarlanan sistem ile gerçekleştirilen uygulamaya yer verilmiştir. Son bölümde ise denemeler sonucunda elde edilen verilerin sonuçları incelenmiş ve BAKS sisteminin verimliliği tartışılmıştır. Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 22 (2), 468~479, 2018 0470 D. Basaran 3. SİSTEM TASARIMI (SYSTEM DESIGN) Geliştirilen BAKS sistemi tek merkezden yönetilen binalarda enerji performansını iyileştirmeyi ve bina içindeki insanların sağlığı için ortam koşullarını en uygun seviyede tutmayı amaçlamaktadır. BAKS sistemi, merkezi akıllı kontrol birimi ve konum denetim birimi olmak üzere iki farklı donanım biriminden oluşmaktadır. Şekil 2. Dolu alanlarda ısı transfer hızının ısıl dirençler Konum denetim birimi, kontrolü sağlanması kullanılarak modellenmesi. (Modeling of heat transfer rate in solid areas using thermal resistances.) planlanan ortamlara yerleştirilmekte ve bu konumlardan eşzamanlı veri akışını (cid:1) (cid:17) (cid:3) , (cid:1) (cid:17) (cid:24)(cid:25)(cid:26)(cid:27) , (cid:1) (cid:17) (cid:24)(cid:29)(cid:26)(cid:30)(cid:26) , (cid:1) (cid:17) (cid:24)(cid:25)(cid:26)(cid:27) , sağlamaktadır. Merkezi akıllı kontrol birimi ise (cid:2) (cid:3) (cid:18)(cid:19)(cid:20)ş ∗(cid:23) (cid:2)(cid:6) (cid:28)(cid:25)(cid:26)(cid:27)∗(cid:23) (cid:2)(cid:8) (cid:28)(cid:29)(cid:26)(cid:30)(cid:26)∗(cid:23) (cid:2)(cid:7) (cid:28)(cid:25)(cid:26)(cid:27)∗(cid:23) tüm konum denetim cihazlarından gelen verilerin (cid:1) (cid:17) (cid:3) (1) izlenmesi ve değerlendirmesini sağlayan, gelen (cid:2)(cid:5) (cid:18)(cid:31)ç∗(cid:23) verilere göre de kontrol sinyallerini oluşturup konum denetim cihazlarına ileten birimdir. Bu (cid:1)(cid:9) (cid:3) (cid:17)(cid:18)(cid:19)(cid:20)(cid:3)ş ∗(cid:23) , (cid:1)(cid:9)(cid:6) (cid:17)(cid:28)!(cid:24)!(cid:26)(cid:26)"(cid:20)"#(cid:20)(cid:20)#(cid:27)(cid:20)(cid:27)∗(cid:23) , (cid:1)(cid:9)(cid:8) (cid:17)(cid:28)(cid:24)(cid:19)(cid:19)$$(cid:30)(cid:30)(cid:26)(cid:26)%%∗ (cid:23) , (cid:1)(cid:9)(cid:7) (cid:17) amaç doğrultusunda tasarlanan sistemin tasarım aşamaları ve işleyişi bu bölümde donanım (cid:3) (2) bileşenleri ve yazılım adında iki başlık altında (cid:18)(cid:31)ç∗(cid:23) incelenmiştir. İç-dış sıcaklık farkının fazla olması iç ortamın istenmeyen şekilde ısı kaybetmesine veya kazanmasına sebep olmaktadır. Ortam kabuğuna ait ısı transfer hız değerini ifade eden Q değeri, Eş. 3.1. Donanım Bileşenleri (Hardware 3’e verilmiştir. Dış sıcaklık ve iç sıcaklık farkının Components) toplam ısıl direnç değerine bölünmesiyle elde Merkezi akıllı kontrol birimi, konum denetim edilen bu değer ortamın ısı kayıp veya kazanç birimlerine bağlı sensör ağı yardımıyla gerçek hızını göstermektedir. Toplam ısıl direncin zamanlı verilere erişmektedir. Merkezi akıllı artması, Q değerini düşmesine sebep olacak ve bu kontrol birimi ve konum denetim birimlerinin ısı kaybının az olduğunu ifade edecektir. bağlantıları Şekil 3’te gösterilmektedir. Şekilden Günümüzde istenmeyen ısı kayıp ve kazançlarını de görülebileceği gibi konum denetim birimleri; engellemek için yapılan yalıtım ve ısıcam tek kart bilgisayar donanımı, buna bağlı 5 farklı kullanımı gibi işlemler bu ısı transfer hızını sensör, kızılötesi verici ve bir dimmer devresinden azaltmak için gerçekleştirilmektedir [11]. oluşmaktadır. Tek kart bilgisayar donanımına & (cid:17)’ *’ /(cid:1) (3) bağlanan sensörler; iç ortam sıcaklık ve nem ()ş +ç (cid:11)(cid:12)(cid:13)(cid:14)(cid:15)(cid:16) bilgisini almak için DHT22, ışık şiddeti bilgilerini almak için LDR, Bölüm 2’de verilen ısı transfer Hesaplamalarda ısı transfer hızının hızını hesaplayabilmek için gerekli olan dış ortam kullanılmasının en önemli getirisi, iç ortamın sıcaklık bilgisini almak için DS18B20 ve uygun sıcaklıkta bulunduğu durumlarda kayıp ortamdaki hareket bilgisini almak için PIR veya kazanç hızına bağlı olarak iklimlendirme sensörüdür. cihazı için doğru soğutma veya ısıtma seviyesinin ve hızının belirlenmesini sağlamaktır. İç ortam, uygun olarak belirlenen sıcaklık değerlerini sağladığında ısı transfer hızı belirlenen sınır değerden yüksek ise ortamda ani soğuma veya ısınmalar olacaktır. Buna göre iklimlendirme cihazının ani değişikliklere göre tepki süresi ayarlanabilmektedir. Şekil 3. Merkezi akıllı kontrol birimi ve konum denetim birimlerinin temsili gösterimi. (Representation of central intelligent control unit and position control units.) Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 22 (2), 468~479, 2018 0471 D. Basaran Ortam sıcaklığı ve nem oranı, iklimlendirme Kullanılan sensörler ve konum denetim cihazlarının etki edebilmek için en çok enerji sarf birimlerinin elektronik donanımları Şekil 4’te ettiği değişkenlerdendir. Küresel bazda binalarda üretilen prototip üzerinde gösterilmektedir. kullanılan enerjinin %40 gibi önemli bir oranı Verilen şekilde her birim, birbirinden farklı olarak sıcaklık ve nem değerlerini ısısal konfor şartlarını numaralandırılmış ve bu birimler Tablo 1’de sırası sağlayacak seviyeye getirmek için harcanmaktadır ile listelenmiştir. Üretilen prototipe yerleştirilen [12]. Aynı zamanda sıcaklık ve nem ortamda sensörler şekilde gösterildiği gibi özelliklerine bulunan insanların sağlığına doğrudan etki göre konumlandırılmıştır. Hava kalite ve sıcaklık etmektedir [13]. Bu sebeplerden dolayı sıcaklık ve sensörleri bu amaçla dışa bakar şekilde nem değerleri gerçek zamanlı olarak takip edilmeli yerleştirilmiştir. Benzer şekilde hareket algılama, ve aynı zamanda enerji verimliliği ve sağlıklı ışık ve kızılötesi led sensörleri cihazın ön kısmına ortam şartlarının sağlanması için kontrol altında yerleştirilerek ortama hakim olması tutulmalıdır. BAKS sistemindeki her konum amaçlanmıştır. Cihazın arka kısmına ise güç denetim biriminde ortamdaki sıcaklık ve nem adaptörü girişi ve ışık seviyesi kontrolü için darbe değerlerinin elde edilmesi için bir DHT22 sensörü genişlik kontrolü, PWM (Pulse Width kullanılmıştır. Bu sensör -40 - 80℃ sıcaklık Modulation) bağlantısı yerleştirilmiştir. aralığında +/-1℃ hata payıyla sıcaklık bilgileri sağlarken %0 - %100 nem aralığında +/- %5 hata payıyla nem bilgileri sağlamaktadır [14]. Dış sıcaklık verileri için ise su geçirmeme özelliğine sahip olması sebebiyle DS18B20 sıcaklık sensörü tercih edilmiştir. Ortam aydınlatması için tüketilen enerji, iklimlendirme cihazları için tüketilen enerji kadar fazla olmasa da genel tüketim üzerinde önemli bir paya sahiptir [15]. Geliştirilen sistem ile aydınlatmanın en uygun seviyede tutulabilmesi için ortamdaki ışık şiddeti ölçülerek aydınlatma seviyesi ayarlanmaya çalışılmıştır ve böylece gereksiz enerji kullanımının önüne geçilmiştir. Işık şiddeti bilgilerini elde etmek için LDR sensörü kullanılmıştır. Bu sensör üzerine düşen Şekil 4. BAKS sisteminin konum denetim birimlerinde kullanılan elektronik donanımlar. (Electronic equipment used in ışık şiddetiyle ters orantılı olarak direnç değerini position control units of the BAKS system.) değiştirmektedir. Böylece ortam aydınlatmasının uygun olmadığı durumlarda aydınlatmanın parlaklık seviyesi yönetilerek en uygun seviyenin Tablo 1. BAKS sisteminin konum denetim biriminde kullanılan donanım bileşenleri. (Hardware components used in korunması sağlanmıştır. the position control unit of the BAKS system.) Numara Donanım Adı Ortamda aydınlatma ve iklimlendirme cihazlarının kontrolü sağlanırken aktif kullanıcı varlığının 1 Tek kart bilgisayar tespiti için hareket sensörü kullanılmıştır. 2 Baskı devre kartı Böylece, tüketim veriminin yanı sıra aydınlatma 3 Hava kalite sensörü ve iklimlendirme cihazlarının açık unutulması gibi 4 Sıcaklık Nem sensörü sorunlara da çözüm üretilmiştir. Ortamdaki aktif kullanıcının varlığı hakkında bilgiler sağlaması 5 Dış sıcaklık sensörü amacı ile sisteme bütünleşmiş bir PIR sensörü 6 Işık şiddeti sensörü (Pasif Kızılötesi Sensör) kullanılmıştır. Bu sensör 7 Hareket sensörü ortamdaki nesnelerden yayılan kızılötesi dalgaları algılayabilmekte ve böylece harekete duyarlı 8 Kızılötesi led olarak bir çıkış değeri üretmektedir. 9 Güç kablosu 10 Dimmer devresinin pwm bağlantısı Kontrolü sağlanan ortamda sağlığı tehdit eden karbondioksit, alkol, benzen ve karbon monoksit Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 22 (2), 468~479, 2018 0472 D. Basaran gibi gazların tespiti için bir hava kalite sensörü sağlanmasında kullanılabilen protokol, bir ağ kullanılmıştır. Tercih edilen MQ-135 sensörü - üzerinde belirlenen konu veya konular altında 40℃ - 125℃ sıcaklık aralığında çalışabilmekte ve birden çok modülün bir veya birden fazla merkezle ortamın hava kalitesi bilgisini devamlı olarak takip iletişim kurmasına olanak sağlamaktadır [17]. Bu edebilmektedir. Konum denetim birimi tarafından sayede sisteme ek bir donanıma ihtiyaç duymadan sağlanan bu veriler aynı zamanda merkezi akıllı çoklu modül desteği özelliği kazandırılmıştır. kontrol birimine iletilmekte ve belirlenen eşik değerlerinin aşıldığı acil durumlarda merkezi akıllı Geliştirilen yazılımda 5 dakikada bir konum kontrol biriminde sesli olarak uyarı denetim birimlerinden merkezi akıllı kontrol sağlanmaktadır. Böylece yangın ve gaz kaçağı gibi birimine veriler MKTT protokolü ile gönderilerek olası tehlikelere karşı önlem alınmaktadır [16]. iletişim sağlanmaktadır. Bu verilerin aynı zamanda geçmişe yönelik olarak incelenebilmesi Son olarak, iklimlendirme cihazlarının kontrolü için kaydedilmesi gerekmektedir. Uzun süreli için bir kızılötesi LED ve aydınlatma cihazlarının çalışmada verilerin çokluğu sebebiyle veri tabanı parlaklık kontrolü için bir dimmer devresi boyutunun artmasını önlemek için BAKS kullanılmıştır. Kızılötesi LED ile iklimlendirme sisteminde çevrimsel sıralı(Round Robin) veri cihazına kumanda komutları gönderilmektedir ve tabanı kullanılmıştır. Çevrimsel sıralı veri tabanı, tüm işlevler kontrol edilebilmektedir. Ayrıca, verilerin dairesel bir şekilde öncelik olmadan eşit dimmer devresi ile konum aydınlatması açılıp paylar ile tutulmasını sağlar [18]. Veri tabanı kapatılarak veya parlaklığı değiştirilerek kontrol dosyası belirlenen sınıra ulaşıldığında ise gelen edilmektedir. yeni veriler için en eski veriler veri tabanından kaldırılır ve yeni verilere yer açılır. BAKS 3.2. Yazılım (Software) sisteminde iç ve dış sıcaklık, nem, hava kalitesi, aydınlatma ve hareket durumu verileri 10 yıl için BAKS sistemindeki donanımların kontrolü için 5 dakikalık zaman aralığıyla kaydedilmektedir. Bu Python programlama dili ve QT Kütüphanesi süre dolduğunda ise eski verilerin üzerine kullanılarak kullanıcı ara yüzlü bir yazılım yazılarak döngü devam etmektedir. gerçekleştirilmiştir. Bu yazılım temel olarak 3 farklı aşamadan oluşmaktadır. İlk aşamada konum Kontrol edilen alanlarda bulunan aydınlatma ve denetim cihazlarının sensör ağı yardımıyla elde iklimlendirme cihazlarının kontrolü için konum ettikleri ortam verilerinin merkezi akıllı kontrol denetim cihazlarından gelen ortam verileri birimine iletmesini sağlanmaktadır. İkinci kullanılarak merkezi akıllı kontrol birimi aşamada konum denetim cihazlarından gelen tarafından iklimlendirme cihazı ve aydınlatmada verilerin merkezi akıllı kontrol birimi tarafından kullanılan dimmer devresi için komutlar değerlendirilmesi ve bu doğrultuda oluşturulan üretilmektedir. Bu üretilen komutlarda ise komutların tekrar konum denetim cihazlarına ortamda aktif kullanıcı bulunup bulunmadığı iletilmesi sağlanmaktadır. Ayrıca konum denetim temel alınmaktadır. Aktif kullanıcı bilgisi kontrol cihazlarından elde edilen veriler, gerçek zamanlı edilen alanlarda bulanan iklimlendirme ve veya geçmişe yönelik olarak izlenebilmek için aydınlatma cihazlarının sadece alanın kullanıldığı kaydedilmektedir. Son olarak üçüncü aşamada zamanlarda çalışması, böylece açık unutulma konum denetim cihazlarının bulunduğu ortamdaki riskine karşı tedbir alınması sağlanmaktadır. iklimlendirme ve aydınlatma cihazlarının kontrol Komutların işleyişindeki hata oranının azaltılması edilmesini sağlanmaktadır. Bu üç aşamanın bir ve bu mantığın düzenli işlemesi için son 10 dakika döngü içinde tekrarlanmasıyla sistemin dinamik içinde alınan aktif kullanıcı bilgileri kontrol bir biçimde çalışması sağlanmıştır. edilmektedir. Ortamda son 10 dakika içinde en az bir kez aktif kullanıcı algılanırsa sistem tarafından Geliştirilen BAKS sisteminde sayıları birden fazla ortamda aktif kullanıcının var olduğu kabul olan konum denetim cihazları ve merkezi akıllı edilmektedir. Ortamda aktif kullanıcı algılanan kontrol birimi arasındaki haberleşmeyi sağlamak durumlarda, aydınlatma ve iklimlendirme amacıyla MKTT (Mesaj Kuyruk Telemetri cihazlarının çalışma durumu ortamdan alınan iç ve Taşıma) protokolü kullanılmıştır. Birimler arası dış sıcaklık, nem, ışık seviyesi ve hava kalitesi haberleşmede kullanılan MKTT(Mesaj Kuyruk verilerine göre üretilen komutlarla kontrol Telemetri Taşıma) protokolü yayınlama ve abone edilmektedir. Bu komutlar hesaplanırken ideal olma mantığına dayanmaktadır. Veri sağlayıcıları olarak kabul edilen ortam koşulu değerleri sıcaklık ve aboneler arasındaki haberleşmenin Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 22 (2), 468~479, 2018 0473 D. Basaran için 21℃-26℃ aralığında, nem oranı için %40- %60 aralığındadır[19]. Sistemde sıcaklık komutları oluşturulurken Bölüm 2’de verilen hesaplamalar kullanılmaktadır. Bu hesaplamalar konum denetim biriminin bulunduğu ortamlar için farklılık göstereceğinden bir ön çalışma yapılması gerekmektedir. Yapılan ön çalışmalar sonucu konfigürasyon tamamlandığında sistem kullanılacağı konuma Şekil 5. İç sıcaklık, dış sıcaklık ve ısı transfer hızından adapte edilmiş olacaktır. Böylece, sıcaklık verileri faydalanılarak sıcaklık komutlarının oluşturulması. ve elde edilen ısı transfer hızı (Q) değerinden (Establishing temperature commands using internal temperature, faydalanılarak iklimlendirme cihazı kontrol outside temperature and heat transfer rate.) Kontrol edilen ortamda ideal seviyede tutulması edilmekte ve ortam sıcaklığı uygun konfor gereken bir diğer etken ise nem oranıdır. İdeal seviyesinde sabit tutulmaya çalışılmaktadır. olarak belirlenen nem oranı %40-%60 değerleri Kontrol işlemi için gerekli komutların arasındadır. İklimlendirme cihazı ısıtma veya oluşturulduğu algoritma Şekil 5’te gösterilmiştir. soğutma kipinde çalışırken aktif olan fan Geliştirilen algoritmada iç ve dış ortamdaki ani yardımıyla nem değeri uygun seviyelerde soğuma ve ısınmalardan sistemin etkilenmemesi tutulabilmektedir. Ortam sıcaklığı belirlenen ideal için son 10 dakikada alınan sıcaklık verilerinin değerler aralığında ve nem oranı belirlenen ideal ortalaması kullanılmıştır. İlk olarak iç ortam değer sınırlarının dışında ise iklimlendirme sıcaklığı ideal ortam sıcaklığı sınırları ile cihazının yalnızca fan kipi kullanılarak nem oranı karşılaştırılarak iklimlendirme cihazının ısıtma belirlenen idealler arasında tutulmaktadır. veya soğutma kiplerinden hangisini gerçekleştireceği belirlenmektedir. Amerikan Aydınlatma cihazlarının kontrolü için, ışık şiddeti Isıtma, Soğutma ve İklimlendirme Mühendisleri değerleri kullanılmaktadır. Gerekli Topluluğu (ASHRAE) tarafından tavsiye edilen kalibrasyonların yapılabilmesi için ışık şiddeti ideal ortam sıcaklık aralığı 21℃-26℃ arasındadır verilerinin alınacağı sensörün günün farklı zaman [19]. İç sıcaklığının, T , 26℃’den yüksek olduğu iç dilimlerinde aldığı değerler bir gün süresince takip durumlarda soğutma, 21℃’den düşük olduğu edilerek kayıt altına alınmıştır. Kaydedilen bu durumlarda ise ısıtma işlemi uygulanmaktadır. Bir değerler Tablo 2’de verilmiştir. sonraki aşamada uygulanan iklimlendirme işleminin hızı; 10 dakikalık ortalama iç ve dış Tablo 2. Aydınlatma ihtiyacına karşılık gelen ışık şiddeti sıcaklık verileri ile hesaplanan Qortalama değeri ve değerleri. (Light intensity values corresponding to lighting 1℃ iç/dış sıcaklık farkı için hesaplan tolere needs.) edilebilir ısı transfer hızı olarak tanımlanan Q LDR’den alınan değer Aydınlatma Durumu sınır değeri ile karşılaştırılarak belirlenmektedir. Bu 1000 %0 karşılaştırma sonucunda Q değerinin Q ortalama sınır 1800 %10 değerinden büyük olduğu durumlarda, ortamda istenmeyen ısı kazanç veya kayıp miktarının 2900 %20 yüksek olması nedeniyle iklimlendirme işleminin 3600 %30 hızı yüksek seviyede tutulmakta, küçük olduğu 4500 %40 durumlarda ise düşük seviyede tutulmaktadır. 5200 %50 İç ortam ideal olarak belirlenen 21℃-26℃ aralığında olduğu durumlarda ise öncelikle 10000 %60 Q değeri ile Qsınır değeri tekrar ortalama 17000 %70 karşılaştırılmaktadır ve Q değerinin Q ortalama sınır 18500 %80 değerinden küçük olduğu durumlarda iklimlendirme cihazları ısıtma veya soğutma 20000 %90 işlemi gerçekleştirmemekte ve iklimlendirme 22000 %100 cihazı bekleme moduna alınmakta, yüksek olduğu durumlarda ise dış sıcaklığa, T , bağlı olarak dış belirlenen ısıtma veya soğutma işlemini düşük Tabloda görüldüğü gibi kaydedilen değerler hızda gerçekleştirmektedir. aydınlatma ihtiyacıyla doğru orantılı olarak Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 22 (2), 468~479, 2018 0474 D. Basaran artmaktadır. BAKS sisteminde aydınlatma durumunun kontrol edilebileceği bir grafiksel cihazlarının kontrolü için bu tablodan kullanıcı ara yüzü geliştirilmiştir. Geliştirilen faydalanılmaktadır. Konum denetim birimlerinden kullanıcı ara yüzünün ana ekranı Şekil 6’da gelen ışık şiddeti verilerinin son 10 dakikadaki gösterilmiştir. Bu ekran kayıtlama, kayıt silme, ortalamaları kullanılarak, tabloda verilen ışık konum verilerine erişim ve kayıtlı modüllerin şiddetine bağlı aydınlatma ihtiyacı yüzeysel takibinin sağlanması için belirlenmektedir. Bu ihtiyaca göre bir dimmer kullanılmaktadır. Kayıtlı konumların yanlarında devresi aracılığıyla ortam aydınlatması için bulunan ve yanıp sönen göstergelerin renginin kullanılan aydınlatma cihazlarının parlaklıkları yeşil olması ortamdan veri alınabildiğini, mavi değiştirilmektedir. olması veri akışında bir sorun olduğunu ve kırmızı olması ise ortamda gaz kaçağı veya yangın gibi Son olarak, konum denetim biriminin bulunduğu acil bir durum olduğunu göstermektedir. alanlarda hava kalitesinin denetlenmesi ve takip edilmesi sağlanmaktadır. Her ortam için son 10 dakikada kaydedilen hava kalitesi verilerinin ortalamaları kullanılarak ortalama bir hava kalite değeri hesaplanmaktadır. Bu değer, belirlenen referans değerleri ile karşılaştırılarak hava kalitesi kontrolü sağlanmaktadır. Tablo 3’ te T.C Çevre ve Şehircilik Bakanlığı’nın belirlediği sınır değerler verilmiştir [20]. Tabloda verilen EPA Hava Kalitesi İndeksi değerleri referans alınarak kontrol edilen alanda bulunan iklimlendirme cihazının fan düzeyleri kontrol edilmektedir. Ortamdan alınan 0-50 arasında ise fan kapalı, 51-100 arasında ise fan düşük devirde, 101-150 arasında ise fan orta devirde, 151 ve daha büyük değerlerde ise fan yüksek devirde çalışmaktadır. Bunun yanı sıra Şekil 6. Geliştirilen kullanıcı ara yüzünün ana ekranı. (Home uyarı sesi çalınacak değerler de bu tablo referans screen of the developed user interface.) alınarak belirlenmiştir. Tabloya göre belirlenen uyarı sesi sınır değeri 151’dir. Ana ekran ayrıca uç birim ekleme, uç birim kaldırma ve konum kontrol monitörüne erişim Tablo 3. T.C Çevre ve Şehircilik Bakanlığı’nın referans imkanı sunmaktadır. Uç birim ekleme ve uç birim aldığı EPA Hava Kalitesi İndeksi ve BAKS sisteminin bu kaldırma pencereleri Şekil 7’de gösterilmiştir. değerlere karşılık oluşturduğu tepkiler. (The EPA Air Quality Şekil 7a’da gösterilen uç birim ekleme Index and the BAKS system, which the T.C Ministry of Environment and Urbanization referenced, responded to these penceresinde, merkezi akıllı kontrol birimi values.) tarafından kontrol edilmek üzere yeni bir alan Hava Kalite (konum denetim birimi) eklenirken kullanıcıdan o Sağlık Endişe İndeksi Fan Seviyesi Uyarı Sesi alanın IP adresi ve ismi istenmektedir. Şekil 7b’de Seviyeleri (AQI) Değerler gösterilen uç birim kaldırma penceresi ise kayıtlı konum denetim cihazlarının izlemesini İyi 0-50 Kapalı  sonlandırmak için tasarlanmıştır ve uç birim adı Orta 51-100 Düşük  girilerek kayıtlı bir modül silinebilmektedir. Hassas 101-150 Orta  Sağlıksız 151-200 Yüksek  Kötü 201-300 Yüksek  Tehlikeli 201-300 Yüksek  Ayrıca, BAKS sisteminde merkezi akıllı kontrol birimi üzerinden verilerin, iklimlendirme ve aydınlatma cihazlarının ve sistemin çalışma Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 22 (2), 468~479, 2018 0475 D. Basaran Şekil 7. Uç birim pencereleri; a) Yeni konum denetim birimi eklemek için hazırlanan uçbirim ekleme alanı b) Kayıtlı konum denetim birimlerinin izlemeden çıkarılması için hazırlanan uç birim kaldırma ekranı. (End unit windows; a) Terminal insertion area prepared for inserting a new position control unit b) End unit removal screen prepared for monitoring the registered position control units.) Ana ekrandan erişilebilecek bir diğer ekran ise Şekil 8’de gösterilen konum kontrol penceresidir. Bu pencere kullanıcının konumların anlık verilerinin yanı sıra tüm verilerin günlük, haftalık, aylık ve yıllık grafiklerine de ulaşmasını sağlamaktadır. Aynı zamanda bu ekranın altında bulunan ısıl konfor bölgesi grafiği ortamdaki anlık sıcaklık ve nem verilerine görsel olarak anlam kazandırmaktadır. Grafikte dikey eksen sıcaklık yatay eksen ise nem değerlerini temsil etmektedir. Grafiğin merkezinde koyu yeşil olarak gözüken alan ısıl konfor seviyesinin en yüksek olduğu bölgedir. Anlık verilerin ortam sıcaklığı için 21- 26℃ , nem oranı için ise %40-%60 aralığında bulunması durumunda en yüksek ısıl konfor Şekil 8. Konum kontrol penceresi. Bu pencere kullanıcının seviyesine ulaşılmakta ve bu alan grafikte koyu seçilen alanın anlık değerlerine, veriler için oluşturulan yeşil renkte gösterilmektedir. Bu veriler ideal günlük, haftalık, aylık ve yıllık grafiklere ve seçilen alanın değerlerden uzaklaştıkça ısıl konfor seviyesi ısıl konfor bölgesi grafiğine erişmesini sağlamaktadır. yeşilden turuncuya doğru azalmaktadır. (Position control window. This window allows the user to access the instantaneous values of the selected area, the daily, weekly, monthly and yearly graphs generated for the data and the graph of Kullanıcın konum kontrol penceresinden the thermal comfort zone of the selected area.) ulaşabileceği örnek bir günlük iç ve dış sıcaklık grafiği penceresi Şekil 9’da gösterilmiştir. Bu pencerede kullanıcı iç ve dış sıcaklık değerlerinin gün içerisinde aldığı en düşük ve en yüksek değerleri görebilmektedir. Ayrıca kayıtlı her alan için oluşturulan bu grafik sayesinde kullanıcıya kıyaslama yapma imkanı sunulmuştur. Şekilde gösterilen sıcaklık grafiği gibi nem, hava kalitesi ve ışık şiddeti verileri de günlük, haftalık, aylık ve yıllık zaman aralıklarında oluşturulmuş grafiklerle takip edilebilmektedir. Şekil 9. BAKS sistemi tarafından konum kontrol penceresinden kullanıcıya sunulan örnek bir günlük iç-dış sıcaklık grafiği penceresi. (A sample daily indoor-outdoor temperature graph window presented by the BAKS system to the user via the position control window.) 4. VERİMLİLİK TESTLERİ (EFFICIENCY TESTS) BAKS sisteminin verimlilik testleri sadece aktif kullanıcı bulunduğu zamanlarda aydınlatma ve iklimlendirme gereksinimleri bulunan bir laboratuvarda gerçekleştirilmiştir. Testlerin gerçekleştirildiği laboratuvar Şekil 10’da gösterilmektedir. Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 22 (2), 468~479, 2018 0476 D. Basaran Şekil 11. Testlerin yapıldığı laboratuvarda 12.06.2017 tarihinde BAKS sistemi olmadan operatör tarafından kontrol edilmiş iklimlendirme ve aydınlatma cihazlarının tüketim grafiği. (Consumption chart of the air conditioning and lighting devices controlled by the operator without the BAKS system on 12.06.2017 in the laboratory where the tests are made.) Test edilen sistemle enerji tüketiminde verim sağlamak ve ortam şartlarını uygun seviyede tutmak hedeflenmiştir. Bu amaçla ilk olarak laboratuvara bir konum denetim birimi yerleştirilmiş ve çalıştırılmıştır. Ardından merkezi akıllı kontrol birimine konum denetim birimi uç Şekil 10. BAKS sisteminin testlerinin gerçekleştirildiği birim olarak eklenmiştir ve enerji yönetimi laboratuvar. (The laboratory where the tests of the BAKS system başlatılmıştır. Bir gün boyunca 13.06.2017 are carried out.) tarihinde test edilen sistem saat 00.00 da çalıştırılmış ve konumdaki iklimlendirme ve Şekilde görülen laboratuvar Doğu Karadeniz aydınlatma cihazlarının kontrolü BAKS Bölgesinde 41,037770° E, 40,494420° N enlem ve sisteminin yönetimine bırakılmıştır. Laboratuvar boylamındaki binanın 7. Katında bulunmaktadır BAKS sisteminin kontrolü altında iken yapılan ve 126 metreküp hacme sahip odanın dış cephesi enerji tüketimi grafiği Şekil 12’de kuzeybatı yönündedir. Test aşamasında, sırasıyla gösterilmektedir. Grafikten de görüldüğü gibi saat soğutma ve ısıtma giriş güçleri 1333 W ve 2000 W 09.00’da sistem laboratuvarda aktif kullanıcı olan bir portatif klimanın ve test ortamında algılamış ve iklimlendirme cihazını çalıştırmıştır. bulunan 23 W gücündeki 8 adet aydınlatma Öğle tatili başlangıcı olan saat 12.00’a kadar cihazının enerji tüketimi kayıt altına alınmıştır. Bu sistem sadece gerekli bulduğu durumlarda laboratuvarda, 12.06.2017 tarihinde iklimlendirme iklimlendirme cihazını çalıştırmış, gerek ve aydınlatma cihazlarının operatör kontrolünde duyulmayan ortam şartları oluştuğunda çalıştırılmasıyla oluşan tüketim grafiği Şekil 11’de iklimlendirme cihazını kapatarak enerji tüketimini gösterilmiştir. Grafikte görüldüğü üzere yaz sonlandırmıştır. Saat 12.00-13.00 arası ise sistem mevsiminin etkisiyle klimanın soğutma güç laboratuvarda aktif kullanıcı algılamamış ve sarfiyatı mesai saatleri içerisinde laboratuvarın cihazları kapatmıştır. Öğle tatilinden sonra saat enerji tüketimine yüksek seviyede etki etmiştir. 13.00-17.30 arasında sistem, gerekli gördüğü Ayrıca 15.00’dan itibaren aydınlatma cihazlarının durumlarda iklimlendirme cihazını çalıştırmış çalışmasıyla oluşan güç tüketimi grafikte diğer durumlarda kapatmıştır. Bunun yanında görülmektedir. Oluşan bu grafiğe göre sistem çalıştığı süre boyunca ortamda aydınlatma iklimlendirme cihazlarının günlük ortalama enerji cihazını çalıştırmaya ihtiyaç duymamıştır. tüketimi 441.56 W/h iken aydınlatma cihazları için Böylelikle BAKS sisteminin kontrolü altındaki bu değer 15.33 W/h’tir. Buna göre günlük laboratuvarın enerji tüketimi günlük ortalama ortalama toplam tüketim miktarı ise 456.89 W/h 293,25 W/h saat olmuştur. ‘tir. Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 22 (2), 468~479, 2018 0477