Die Aufgabe dieser Ausarbeitung besteht darin, im Rahmen des Smarthomes ein Energiemanagementsystem auf der Basis von Raspberry Pi zu entwickeln, um den Energieverbrauch der Heizung in privaten Haushalten zu optimieren. Außer der Kontrolle und der Überwachung sollen die ermittelten Daten von dem System gesammelt, in einer Datenbank gespeichert und so aufbereitet werden, dass sie dem Verbraucher über einen webbasierten Client zur Verfügung gestellt werden können. Um die Mobilität zu gewährleisten, wird auch eine Applikation für Smartphones entwickelt. Laut der aktuellen Marktforschung hat Android einen Marktanteil von 87,5 %, deshalb wird die App in dieser Arbeit nur auf die Geräte mit diesem Betriebssystem ausgerichtet. Das Energiemanagementsystem wird mit unterschiedlichen Modi ausgestattet und soll über die verschiedenen Clients gesteuert und bedient werden können.
Inhaltsverzeichnis
1 Die Einführung
2 Der Stand der Technik
2.1 Ein Einblick in die Gebäudeautomatisierung
2.2 Die Anforderungen an ein Smarthomesystem
3 Das Energiemanagement
3.1 Der Gebäudewärmebedarf
3.2 Die Regelung
4 Die Entwicklung des Systems auf dem Raspberry Pi
4.1 Die Hardware
4.1.1 Die Einrichtung der Java-Laufzeitumgebung
4.1.2 Das Auslesen der Signale mit Analog-Digital-Wandler
4.2 Die Anwendungssoftware
4.2.1 Die Entwicklung eines Heizungsreglers
4.2.1.1 Die Untersuchung der Regelstrecke
4.2.1.2 Die Programmierung des Reglers
4.2.1.3 Die Klasse PWM
4.2.2 Die Datenverwaltung mit einer Datenbank
4.2.3 Die Website auf dem Webserver
4.2.4 Die Visualisierung der Messdaten
4.2.5 HTTP-Server – der zentrale Knotenpunkt
5 Die mobile Anwendung auf dem Smartphone
5.1 Die Erstellung der App
5.2 Die Benachrichtigung für das Smartphone
5.3 Das Benachrichtigungsverfahren auf dem Server
6 Eine zusammenfassende Betrachtung der Ergebnisse
7 Das Fazit
Zielsetzung & Themen
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines intelligenten, webbasierten Energiemanagementsystems auf Basis eines Raspberry Pi, das den Energieverbrauch von Heizungssystemen in privaten Haushalten durch präzise Steuerung, Überwachung und Datenaufzeichnung optimiert und dem Nutzer via Smartphone-App zugänglich macht.
- Entwicklung eines softwarebasierten PI-Reglers zur Heizungssteuerung.
- Aufbau einer datenbankgestützten Infrastruktur zur Erfassung von Messdaten.
- Konzeption eines webbasierten Clients zur Steuerung und Visualisierung.
- Implementierung einer mobilen Anwendung für Android zur Fernsteuerung und Benachrichtigung.
- Optimierung der Systemressourcen und Implementierung von Sicherheitsmechanismen.
Auszug aus dem Buch
4.2.1.2 Die Programmierung des Reglers
Nach der erfolgreichen Simulation, wird mit der Programmierung des Reglers begonnen. Dafür wird der Regler in Form einer Differenzialgleichung dargestellt: y(t) = Kp · e(t) + Ki ∫ e(τ)dτ
Oder zeitdiskret: yk = Kp · ek + Ki · Ta · Σi
wo e die Regelabweichung, Σi = 0 kei die Summe der Regelabweichungen und Kp, Ki, Ta die Konstanten sind. Ta ist die Zeitkonstante für die Wiederholung des Vorganges – die Abtastung. Sie ist auf 1 Sekunde gesetzt, so wird die Messschleife jede Sekunde die Temperatur auslesen und die Stellgröße y ausrechnen.
Die Regelabweichung e ist die Summe der Führungsgröße w und der Regelgröße x mit dem negativen Vorzeichen. Die Summe der Regelabweichungen über eine bestimmte Laufzeit ergibt die eSumme Parameter. Die Zeilen sehen in der Programmiersprache wie folgt aus:
e = w - x ( 3 )
eSumme = eSumme + e ( 4 )
y = Kp · e + Ki · Ta · eSumme ( 5 )
Zusammenfassung der Kapitel
1 Die Einführung: Beleuchtet die Relevanz der Gebäudeautomatisierung und das Potenzial zur Energieeinsparung in Privathaushalten durch automatisierte Systeme.
2 Der Stand der Technik: Analysiert aktuelle Bussysteme und bestehende Anforderungen an Smarthome-Lösungen.
3 Das Energiemanagement: Erläutert die Grundlagen des Gebäudewärmebedarfs und die theoretischen Konzepte der Regelungstechnik.
4 Die Entwicklung des Systems auf dem Raspberry Pi: Beschreibt detailliert die Hardware-Auswahl, die Implementierung der Treiber, die Reglerentwicklung und den Aufbau der Webserver-Software.
5 Die mobile Anwendung auf dem Smartphone: Detailliert die Entwicklung der Android-App und die Realisierung des Benachrichtigungssystems via Firebase.
6 Eine zusammenfassende Betrachtung der Ergebnisse: Fasst die Funktionsweise des Systems zusammen und belegt die Messgenauigkeit des entwickelten Reglers.
7 Das Fazit: Reflektiert den Projekterfolg und diskutiert Ansätze für zukünftige Erweiterungen und Weiterentwicklungen.
Schlüsselwörter
Energiemanagement, Raspberry Pi, Hausautomatisierung, Heizungssteuerung, PI-Regler, Webserver, Datenbank, Android, Smartphone-App, Regelungstechnik, Java, MySQL, Apache, PHP, Smarthome
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Bachelorarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines webbasierten, datenbankgestützten Energiemanagementsystems für Heizungen in Privathaushalten unter Verwendung eines Raspberry Pi.
Welche zentralen Themenfelder behandelt die Arbeit?
Die Schwerpunkte liegen auf der Hausautomatisierung, der Regelungstechnik (Heizungsregelung), der Softwareentwicklung mit Java auf einem Einplatinencomputer sowie der Anbindung einer mobilen Smartphone-App.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Ziel ist die Reduktion des Energieverbrauchs durch präzise Steuerung und das Bereitstellen eines benutzerfreundlichen Tools zur Überwachung und Kontrolle der Raumtemperatur.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Es werden theoretische Grundlagen der Regelungstechnik analysiert und durch praktische Simulationen sowie empirische Messungen an einer Teststrecke verifiziert und optimiert.
Was deckt der Hauptteil der Arbeit ab?
Der Hauptteil behandelt die Hardwareschnittstellen, die Implementierung der Steuerungslogik (Regler), die Datenbankanbindung, das Webdesign und die mobile Kommunikation.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Raspberry Pi, PI-Regler, Smart Home, Energieeffizienz, Java, Datenbankverwaltung und mobile App-Entwicklung.
Warum wurde der Raspberry Pi als Plattform gewählt?
Der Raspberry Pi bietet aufgrund seiner kompakten Bauweise, geringen Leistungsaufnahme und der vielseitigen GPIO-Schnittstelle ideale Voraussetzungen für serverbasierte Smarthome-Anwendungen.
Wie erfolgt die Kommunikation zwischen der Website und dem Regler?
Die Kommunikation basiert auf dem Anfrage-Antwort-Prinzip über eine Socket-Verbindung via Localhost auf dem Port 8181.
Wie stellt die Arbeit die Datensicherheit bei den Benachrichtigungen sicher?
Es wird Firebase Cloud Messaging (FCM) genutzt, wobei jede App-Installation eine eindeutige Registrationsnummer erhält, um Nachrichten zielgerichtet und konto-basiert zu versenden.
Welche Rolle spielt die MySQL-Datenbank?
Die Datenbank dient zur Speicherung historischer Messdaten (Temperaturverläufe, Heizaktivitäten), um eine Auswertung und Visualisierung des Verbrauchsverhalten zu ermöglichen.
- Quote paper
- Bachelor of Engineering Dennis Kiel (Author), 2017, Entwicklung einer webbasierten, datenbankgestützten Anwendung auf Basis von Raspberry Pi zur Optimierung des Energieverbrauchs, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/442325
