Slide 1

SYSTEM POMIAROWY DO
DIAGNOSTYKI CIEPLNEJ
BUDYNKÓW

Beata Krupanek, Ryszard Bogacz
Instytut Metrologii, Elektroniki i Automatyki Politechniki Śląskiej


Slide 2

System pomiarowy do diagnostyki cieplnej
budynków
Praca wykonana w ramach projektu strategicznego:
Zintegrowany system zmniejszania eksploatacyjnej
energochłonności budynków

Zadanie badawcze:
Rozwój diagnostyki cieplnej budynków.

2


Slide 3

Zespół projektowo - wykonawczy
Kierownik zadania 4: prof. dr hab. inż. Zbigniew Popiołek, Wydział
Inżynierii Środowiska i Energetyki Politechniki Śląskiej w Gliwicach
Kierownik podzadania E : prof. dr hab. inż. Jerzy Jakubiec, Wydział
Elektryczny Politechniki Śląskiej w Gliwicach
Wykonawcy:
–
–
–
–
–
–

Dr inż. Janusz Tokarski
Dr inż. Jerzy Roj
Mgr inż. Ryszard Bogacz
Mgr inż. Roman Żurkowski
Mgr inż. Beata Krupanek
Mgr inż. Maciej Grygiel

– Dr inż. Tadeusz Topor-Kamiński
3


Slide 4

Plan prezentacji
1. Ocena energetyczna budynków
2. Systemy spotykane w praktyce
3. System pomiarowy do diagnostyki cieplnej
budynków


Założenia przyjęte przy budowie systemu



Elementy systemu
(sterownik, koordynator, ruter, moduł wejść
analogowych)



Struktury systemu



Oprogramowanie komputera lokalnego
4


Slide 5

Ocena energetyczna budynków
Zgodnie z dyrektywami Unii Europejskiej przygotowywane są w
Polsce przepisy, na podstawie których każdy nowy budynek
będzie musiał mieć świadectwo energetyczne w postaci
certyfikatu energetycznego.

W celu uzyskania certyfikatu przeprowadzany jest audyt
energetyczny, który można zdefiniować jako zespół działań
obejmujących ocenę bilansu energetycznego budynku.

5


Slide 6

Ocena energetyczna budynków
Metody wykonywania audytu energetycznego:
1. Obliczenia teoretyczne wykonywane przy założeniu znormalizowanych
warunków użytkowania budynku i klimatu zewnętrznego. Obliczenia
wykonywane są na podstawie danych katalogowych na temat
izolacyjności przegród (np. ściany, drzwi, okna), oraz teoretycznych strat
na wentylację itp.
2. Obliczenia jak w punkcie 1, wspomagane pomiarami niektórych
parametrów cieplnych budynku. Najczęściej stosowane są kamery
termowizyjne w celu zmierzenia rzeczywistej izolacyjności przegród.
3. Wyznaczanie parametrów cieplnych budynków przy użyciu systemów,
które mają za zadanie dostarczenie empirycznych danych
pozwalających na wyznaczenie całościowego bilansu energetycznego
budynku.
6


Slide 7

Systemy spotykane w praktyce
• systemy monitorowania zintegrowane z systemami
automatyki
• systemy autonomiczne

• stacjonarne systemy monitorowania stanu cieplnego
budynków
• systemy przenośne – mogą realizować zadania na wielu
obiektach

7


Slide 8

Założenia przyjęte przy budowie systemu
• System przenośny.

• Po zakończeniu projektu system będzie używany do
prowadzenia audytu energetycznego budynków, którego
celem jest wydawanie świadectw energetycznych
budynków.
• System elastyczny - zdolność do integracji różnorodnej
aparatury pomiarowej, stosowanej aktualnie i w najbliższej
przyszłości.
• Brak konieczności ciągnięcia kabli pomiędzy modułami
systemu.

8


Slide 9

System pomiarowy do diagnostyki cieplnej
budynków
System przenośny  System bezprzewodowy

W1

R uter
1
K o m p uter lo kaln y

.
.
.

.
K o o rd ynato r

.
.

Wn

In tern et

.
.
.

B aza
d an yc h

K o m p utery zd alne

9


Slide 10

System pomiarowy do diagnostyki cieplnej
budynków
Podstawowe założenie zbudowanego systemu:
• Urządzenia wykonywane w ramach projektu są
uniwersalne - ich konstrukcja jest taka sama niezależnie
od funkcji spełnianych w systemie.
• Dostosowanie urządzenia do konkretnych zadań
realizowane jest w sposób programowy, z konsoli
operatora systemu.
W1

R uter
1

K o m p uter lo kaln y

.
.
.

.
K o o rd ynato r

.
.

Wn

R uter
n

In tern et

.
.
.

B aza
d an yc h

10
K o m p utery zd alne


Slide 11

System pomiarowy do diagnostyki cieplnej
budynków

KOMUNIKATOR - prototyp

Komunikator może spełniać
w systemie cztery funkcje:
• sterownika węzła pomiarowego zarządzającego zespołami przyrządów
pomiarowych za pośrednictwem szeregowych interfejsów
przewodowych,
• rutera sieci bezprzewodowej, spełniającego w systemie funkcję
wzmacniacza sygnału radiowego,
• koordynatora sieci bezprzewodowej, zarządzającego komunikacją w
sieci,
• urządzenia sprzęgającego sieć bezprzewodową z komputerem
11
lokalnym, który służy do zarządzania systemem z poziomu obiektu.


Slide 12

System pomiarowy do diagnostyki cieplnej
budynków
KOMUNIKATOR

W1

R uter
1
K o m p uter lo kaln y

.
.
.

.
K o o rd ynato r

.
.

Wn

R uter
n

In tern et

.
.
.

B aza
d an yc h

K o m p utery zd alne

12


Slide 13

System pomiarowy do diagnostyki cieplnej
budynków - KOMUNIKATOR
U kład zasilania
U kład zasilania

Złącza na płycie
czołow ej

USB

Interfejsy
R S 232C

P ort U S B
P ort U S B

A1

P ort szeregow y
P ort szeregow y
A1
A1

A2

P ort szeregow y
P ort szeregow y
A2
A2

A3

P ort szeregow y
P ort szeregow y
A3
A3

A4

P ort szeregow y
P ort szeregow y
A4
A4

B

P ort szeregow y
P ort szeregow y
B
B

C

P ort szeregow y
P ort szeregow y
C
C

D

P ort szeregow y
P ort szeregow y
D
D

i JTA G
T ransm iter
T ransm iter
bezprzew odow y
bezprzew odow y

Interfejs
P rocesor
P rocesor
głów ny
głów ny

I2C
Zegar czasu
Zegar czasu
astronom icznego
astronom icznego

Interfejs
SPI

E

P ort szeregow y
P ort szeregow y
E
E

T rw ała pam ięć
T rw ała pam ięć
danych
danych

Mikrokontroler ATXMEGA128-A3
Zegar DS1307 (MAXIM)
Pamięć 64MB DataFlash AT45DB642
13
(Atmel)
Transmiter ZigBee ATZB-A24-UFL (Atmel)


Slide 14

Komunikator
• Do komunikacji bezprzewodowej wykorzystano układ ATZBA24-UFL firmy Atmel
• Transmiter pracuje w standardzie ZigBee.
• Sprzężony jest z mikrokontrolerem przy użyciu interfejsu
RS232C.
• Układ ten przy pełnej mocy nadajnika zapewnia transmisję
na odległość do 1 km przy braku przeszkód.
• Może być konfigurowany jako urządzenie końcowe sieci
bezprzewodowej i w takiej roli pracuje w sterowniku węzła.
• W przypadku, gdy spełnia funkcję rutera komunikator
wykorzystywany jest do wzmacniania sygnałów radiowych i
wówczas mikrokontroler główny znajduje się w stanie
uśpienia.
• Użycie tego układu jako koordynatora sieci powoduje, że
mikrokontroler główny spełnia rolę elementu sprzęgającego
sieć bezprzewodową z komputerem lokalnym za pomocą
interfejsu USB.
14


Slide 15

Komunikator
Komunikator może być zasilany z trzech źródeł:
• sieci energetycznej,
• akumulatorów wewnętrznych, doładowywanych za pomocą
ładowarki zewnętrznej
• z akumulatora zewnętrznego.

• Poszczególne rodzaje przełączane są automatycznie za
pomocą układu sterującego.
• Dzięki możliwości wprowadzania mikrokontrolera głównego
w stan uśpienia w okresie między momentami obsługiwania
przyrządów pomiarowych możliwa jest długotrwała praca
komunikatora bez zasilania sieciowego.
• W przypadku, gdy komunikator spełnia role koordynatora
sieci bezprzewodowej, to zasilany jest z komputera
lokalnego przez port USB.
15


Slide 16

Komunikator jako sterownik węzła pomiarowego
PP 1
PP 2

CZ

S

MA

PP3

...

Zadania sterownika:

PP 8

S ieć
bezprzew odow a

S - sterownik węzła,
PP – przyrząd pomiarowy,
MA – moduł analogowy,
CZ – czujnik

1. komunikacja z przyrządami pomiarowymi PP za pomocą
interfejsu RS 232C lub RS 485,
2. archiwizacja danych ze wszystkich przyrządów za okres
trwania eksperymentu pomiarowego,
3. komunikacja z koordynatorem sieci bezprzewodowej.
16


Slide 17

Komunikator jako sterownik węzła pomiarowego
PP 1
PP 2

CZ

S

MA

PP3

...

PP 8

S ieć
bezprzew odow a

S - sterownik węzła,
PP – przyrząd pomiarowy,
MA – moduł analogowy,
CZ – czujnik

• Do jednego sterownika można podłączyć do 8 przyrządów,
• W tym maksymalnie 4 moduły analogowe, mierzące
rezystancję, napięcie lub prąd.
• Dane pomiarowe są gromadzone w sterowniku i równocześnie
przesyłane na bieżąco, za pomocą sieci bezprzewodowej, do
koordynatora współpracującego z komputerem lokalnym przy
17
użyciu łącza USB.


Slide 18

Moduł wejść analogowych

Moduł wejść analogowych został zbudowany w celu
umożliwienia zwiększania zasobów pomiarowych sterownika.

Każdy z modułów dysponuje pojedynczym wejściem
analogowym, które jest przystosowane do doprowadzenia
sygnału z jednego czujnika o wyjściu:
 napięciowym,
 prądowym,

 rezystancyjnym.
18


Slide 19

kładd
UUkła
zasila
silanniaia
za

OObbwwóódd
jściowwyy
wweejścio

tato
torr
KKoommuuta
aannaalologgoowwyy

ikro-MMikro
konntro
trolelerr
ko

forr
BBuufo
RRSS448855

Z łą cz e w yjścio w e

Z łą cz e w e jścio w e

Moduł wejść analogowych

ADuC836 (Analog Devices)

19


Slide 20

Struktury systemu
W1

.
.
.

Struktura skupiona

.

K o m p uter lo kaln y

K o o rd ynato r

.
.

In tern et

Wn
B aza
d an yc h

.
.

K o m p utery zd alne

.
Stosowana
do prowadzenia pomiarów zasadniczo w jednym
pomieszczeniu, gdy możliwa jest bezpośrednia komunikacja
bezprzewodowa między sterownikami węzłów W1, …, Wn a
koordynatorem sieci bezprzewodowej.
20


Slide 21

Struktury systemu
Struktura zdekomponowana systemu
K o m p utery lo kalne

W1

.
.
.

K o m p utery zd alne

K o o rd ynato r
1

.
In tern et

.
.
.

Wn

K o o rd ynato r
n
B aza
d an yc h

• System
o strukturze zdekomponowanej wykorzystywany jest w
.
przypadku, gdy pomiary przeprowadza się równocześnie w kilku
odległych pomieszczeniach, jak również w sytuacji, gdy obiektem
pomiaru jest zbiór budynków.
• System taki można traktować jako zbiór autonomicznych systemów21
o wspólnej bazie danych.


Slide 22

Struktury systemu
W1

R uter
1

Struktura rozproszona
K o m p uter lo kaln y

.
.
.

.
K o o rd ynato r

.
.

Wn

R uter
n

In tern et

.
.
.

B aza
d an yc h

K o m p utery zd alne

• Jeden komputer lokalny, pomiary realizowane w odległych
pomieszczeniach lub osobnych budynkach - na ogół nie jest możliwe
bezpośrednie połączenie radiowe między węzłami a koordynatorem i
trzeba zastosować rutery.
• Na drodze między węzłem a koordynatorem może pracować kilka
ruterów, co pozwala w tego rodzaju systemie na uzyskiwanie dość
22
znacznych odległości między węzłami i koordynatorem.


Slide 23

Struktury systemu

23


Slide 24

Struktury systemu

24


Slide 25

Struktury systemu

25


Slide 26

Komputery lokalne i zdalne
Komputer lokalny - zarządzanie systemem:
W1
• konfigurowanie systemu - przekazywanie
do węzłów informacji z jakimi przyrządami
. .
mają współpracować oraz określenie
.
parametrów pomiarów (rodzaju mierzonej
wielkości, częstotliwości próbkowania
. . itp.),

• bieżące odbieranie danych pomiarowych
oraz ich archiwizacja,
. Wn
• wizualizacja danych pomiarowych w
postaci przebiegów oraz wskazań
.
przyrządów,
• komunikacja z operatorem.
.
Oprogramowanie komputera lokalnego
utworzono przy użyciu pakietu LabView.

K o m p uter lo kaln y

K o o rd ynato r

In tern et

B aza
d an yc h

K o m p utery zd alne

.

Komputer lokalny jest połączony z komputerami zdalnymi za pośrednictwem
Internetu.
Komputery zdalne mogą spełniać rolę bazy danych lub zdalnych konsol
komputera lokalnego, dzięki czemu umożliwiają realizację wszystkich jego26
zadań na odległość.


Slide 27

Urządzenia integrowane w systemie
 Przepływomierze ultradźwiękowe przenośne.
 Mikromanometry dla powietrza i wody.
 Termometry termoelektryczne 30-kanałowe.
 Mierniki energii elektrycznej.
 Stacja meteorologiczna.
 Analizator spalin.
 Monitory jakości powietrza wewnętrznego.

27


Slide 28

Oprogramowanie komputera lokalnego
• Zadaniem komputera lokalnego jest bieżące zarządzanie
procesem pomiaru wielkości charakteryzujących stan
cieplny budynku bezpośrednio z poziomu obiektu
pomiaru. Zarządzanie to przede wszystkim ma na celu
realizację następujących działań:
– konfigurowanie systemu, polegające na wskazaniu urządzeń
pomiarowych wykorzystywanych w aktualnie stosowanej wersji
systemu,
– nadzór nad prawidłowym wykonywaniem pomiarów oraz bieżącą
wizualizację danych pomiarowych,
– pozyskiwanie danych pomiarowych i lokowanie ich w centralnej
bazie danych,
– udostępnienie przez Internet bazy centralnej komputerowi
zdalnemu, celem przechowania ich w bazie archiwalnej.
28


Slide 29

Oprogramowanie komputera lokalnego
Bloki funkcjonalne programu zarządzającego systemem zaimplementowanego
na komputerze lokalnym

29


Slide 30

Oprogramowanie komputera lokalnego
Przepływ danych w systemie pomiarowym

O b ie kt b u d yn e k

S ys te m d ia g n o s tyk i c iep ln e j:
 U rzą d ze n ia p o m ia row e
 S te ro w n ik i w ę złów
 K o o rd yn a to ry

P ro g ra m k o m u n ik a c yjn y

B a za d a n yc h

P ro g ra m w izu a liza c ji d a n yc h
i zarzą d za n ia s ys te m e m

30


Slide 31

Oprogramowanie komputera lokalnego

31


Slide 32

Oprogramowanie komputera lokalnego

32


Slide 33

Oprogramowanie komputera lokalnego

33


Slide 34

Oprogramowanie komputera lokalnego

34


Slide 35

Dziękuję za uwagę

35


Slide 36

36


Slide 37

Komunikator
• Mikrokontroler ATXMEGA128-A3
– pamięć programu typu flash o pojemności 120 KB, z dodatkowym obszarem 8
KB, który może być przeznaczony na dane oraz 8 KB pamięci zawierającej
program ładujący.
– Pamięć danych - 8 KB pamięci trwałej EEPROM oraz 2 KB pamięci statycznej
SRAM.

• Odmierzanie czasu astronomicznego - układ DS1307 firmy MAXIM.
• Trwała pamięć zewnętrzną DataFlash AT45DB642 firmy Atmel o
pojemności 64Mb.
– Jeden rekord pomiarowy obejmuje 4 bajty znacznika czasu, 4 bajty wyniku
pomiaru w formacie zmiennoprzecinkowym oraz 2 bajty identyfikatora
wielkości mierzonej. Zatem pojemność pamięci zewnętrznej pozwala na
przechowanie około 800 000 rekordów pomiarowych, dzięki czemu możliwa
jest realizacja pomiarów nawet przy długotrwałym zerwaniu transmisji
bezprzewodowej.

• Mikrokontroler obsługuje:
– 5 kanałów transmisji w standardzie RS488,
– 3 kanały RS 232C, wyposażone w optoizolację,
– jedno złącze USB, wykorzystywane do komunikacji z komputerem lokalnym.
37


Slide 38

Moduł analogowy
• Podstawowym układem modułu analogowego jest mikrokontroler ADuC836
firmy Analog Devices.
• Zawiera on dwa tory pomiarowe zakończone 16-bitowymi przetwornikami
AC typu Sigma-Delta, przy czym jeden z torów ma na wejściu wzmacniacz o
regulowanym cyfrowo współczynniku wzmocnienia.
• Mikrokontroler wyposażony jest w czujnik temperatury, co daje możliwość
korygowania błędów temperaturowych toru pomiarowego.
• Moduł zawiera ponadto źródło napięcia wzorcowego o dużej stabilności
temperaturowej, co łącznie z opisanymi jego właściwościami pozwala na
realizację pomiarów z dużą dokładnością.
• Maksymalna częstotliwość próbkowania wynosi około 100 razy na sekundę,
co w pełni zaspakaja potrzeby próbkowania wartości chwilowych sygnałów
charakteryzujących procesy cieplne.

38