Sistema di risparmio energetico aziendale Documento di Analisi della gestione dell illuminazione

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1 Sistema di risparmio energetico aziendale Documento di Analisi della gestione dell illuminazione Descrizione gestione dell illuminazione Nell ambito dello sviluppo di un sistema di risparmio energetico, questo documento descrive il modulo di gestione dell illuminazione. Verrà presentata una breve analisi di dominio, i requisiti funzionali, eventuali requisiti non funzionali, i diagrammi dei casi d uso con i relativi scenari, i diagrammi di sequenza, i diagrammi di flusso ed i diagrammi delle classi. Introduzione Sotto il nome di risparmio energetico vanno diverse tecniche adatte a ridurre i consumi d'energia necessaria allo svolgimento delle varie attività umane. Il risparmio può essere ottenuto sia modificando i processi in modo che ci siano meno sprechi sia utilizzando tecnologie in grado di trasformare l'energia da una forma all'altra in modo più efficiente o anche mediante l'auto produzione. Nel nostro caso verrà attuato esclusivamente il risparmio energetico ottenuto tramite un processo di riduzione degli sprechi. La nostra area di interesse è quella relativa alla gestione dell illuminazione. Il seguente grafico mostra le percentuali di risorse energetiche utilizzate dai vari sistemi di un edificio (aziendale o commerciale). Si può notare come il sistema di illuminazione necessiti di una gestione intelligente per evitare gli sprechi. Figura 1 - Distribuzione energetica tipica degli edifici Fonte: 1

2 I vantaggi che si potrebbero ottenere attuando una gestione intelligente dell illuminazione sono: Riduzione dei costi sui servizi energetici per le aziende, Riduzione della domanda di energia con conseguente diminuzione dei rischi di black-out, Riduzione del consumo energetico con un minore impatto ambientale nella limitazione delle emissioni CO2 Allungamento della vita media delle lampade con riduzione dei costi di smaltimento, Riduzione dell inquinamento luminoso Alcune leggi regolano i livelli di illuminazione negli edifici, tra cui la legge 626, art.33, comma 8: 1. I luoghi di lavoro devono disporre di sufficiente luce naturale ed essere dotati di dispositivi che consentono un'illuminazione artificiale adeguata per salvaguardare la sicurezza, la salute e il benessere di lavoratori. 2. Gli impianti di illuminazione dei locali di lavoro e delle vie di circolazione devono essere installati in modo che il tipo d'illuminazione previsto non rappresenta un rischio di infortunio per i lavoratori. 3. I luoghi di lavoro nei quali i lavoratori sono particolarmente esposti a rischi in caso di guasto dell'illuminazione artificiale, devono disporre di un'illuminazione di sicurezza di sufficiente intensità. 4. Le superfici vetrate illuminanti ed i mezzi di illuminazione artificiale devono essere tenuti costantemente in buone condizioni di pulizia e di efficienza. Analisi di Dominio La struttura sulla quale verrà installato il sistema è un edificio aziendale costituito da uno o più piani con diversi ambienti. Ai fini della gestione dell illuminazione, ogni ambiente verrà considerato come una stanza, suddivisa in uno o più settori. I settori delle stanze vengono definiti in fase di configurazione del sistema. Saranno presenti uno o più terminali Video Touch Screen BTicino di controllo da 15 per ogni piano e in altri punti strategici come l ufficio del direttore e la portineria. L'edificio è equipaggiato con i seguenti impianti di domotica della Bticino, elenchiamo i soli elementi utili alla gestione dell illuminazione. In base alla dimensione della stanza saranno presenti: Una o più luci a risparmio energetico Un rilevatore di presenza per ogni settore Un sensore di luminosità interna per ogni settore Uno o più sensori di luminosità esterna per ogni lato dell'edificio Uno o più pulsanti di regolazione delle luci per ogni settore Uno o più pulsanti di apertura/chiusura delle tapparelle/tende per ogni settore 2

3 Possono essere presenti dei sensori di stato collegati ai componenti (luci/tende/tapparelle) presenti nel settore Uno o più attuatori. Ogni componente (tapparella/tenda/luce) sarà collegato ad un attuatore, ed eventualmente più componenti potranno essere collegati allo stesso attuatore Altri elementi non riguardanti unicamente la gestione dell illuminazione sono: Un web server collegato ad internet e alla rete locale per la gestione del sistema Ogni stanza deve essere coperta da una connessione bluetooth collegata al sistema di risparmio energetico I percorsi dei robot devono essere tracciati lungo tutto l edificio per mezzo di indicatori RFID (d ora in poi chiamati waypoint). Ogni waypoint deve contenere il proprio identificativo univoco e una tabella contenente la direzione per raggiungere i waypoint contigui. Esempio tabella waypoint 2: Waypoint di arrivo Waypoint di destinazione Angolo In fase di configurazione viene caricata nel sistema la mappa di tutti i waypoint dell edificio sotto forma di grafo e la collocazione di ogni waypoint nel rispettivo settore di una stanza. Su ogni piano sarà presente almeno un Robot "Lego Mindstorms" con processore a 32 bit Atmel AT91SAM7S256 (classe ARM7) a 48 MHz con 256KB memoria flash e 64KB di memoria RAM. Ogni robot è customizzabile ma già equipaggiato con: processore a 32 bit Atmel AT91SAM7S256 (classe ARM7) a 48 MHz 256KB memoria flash 64KB RAM interfaccia bluetooth v2.0+edr (chipset CSR BlueCore 4 version 2, clockato a 26 MHz, con propri buffer RAM e firmware stack Bluelab 3.2) velocità teorica massima 0,46 Mbit/sec (per trasferire il software o per controllare il robot da remoto) display LCD bianco e nero da pixel (ogni pixel è circa 0,4 0,4mm); può essere programmato su PC o Mac speaker mono 8 bit fino a 16 KHz; tastiera con quattro tasti in gomma. porta USB 2.0 connettività Bluetooth per trasferire il software o per controllare il robot da remoto interfaccia per permettere lo sviluppo di periferiche da parte di terze parti. tre servomotori, con sensore di rotazione integrato e feedback per il controllo di precisione sensore di movimento e distanza ad ultrasuoni sensore audio, con riconoscimento di tono e timbro sensore luminoso, capace di rilevare colori e intensità luminosa sensore tattile 3

4 Riferimenti: Documentazione completa del robot Lego Mindstorms all indirizzo: Dettagli sugli apparati bticino: 4

5 Specifiche Definizioni: Amministratore: utente loggato, con privilegi di amministrazione Sensore: dispositivo che effettua rilevazioni di una grandezza fisica, si divide in: Sensori di luminosità: rilevano la luminosità in un determinato istante e si dividono in sensore di luminosità interno e sensore di luminosità esterno Termo rilevatori di presenza: dispositivi in grado di rilevare la presenza di persone all interno di una stanza, anche se immobili, questo è possibile in quanto sfruttano la tecnologia radar e la proiezione di raggi (invisibili). Sono in grado di rilevare le differenze di calore emanate da un corpo vivente anche se nascosto e al buio. Il sensore non trasmette immagini video di conseguenza non sussiste il problema della privacy Sensore di stato: rileva lo stato di un dispositivo (es: luci al 30%, tapparella alzata) Componenti: elementi sui quali il sistema può compiere delle azioni di modifica dello stato (Luci, Tapparelle elettriche, Tende elettriche) Attuatore: meccanismo che comanda uno o più componenti. Può essere impostato su manuale o automatico. Gli attuatori impostati su automatico vengono controllati dal sistema, al contrario il sistema non può comandare gli attuatori impostati su manuale Trigger: un trigger è un insieme di esattamente tre condizioni: una data/ora di inizio una data/ora di fine presenza di persone (si/no) Livello di luminosità: un valore di luminosità espresso in scala da 0 a 100 (rispetto alla scala da 0 a 1000 lux lumen/metro 2 raccomandata dalla Commissione internazionale per l illuminazione) Profilo: un profilo è una coppia trigger-livello di luminosità. Un profilo è associato ad un settore di una stanza e ad un settore di una stanza è possibile associare più profili purché i rispettivi trigger non possano essere verificati contemporaneamente Profilo attivo: è il profilo di un settore il cui trigger è verificato, ovvero per il quale tutte le condizioni sono vere. Nel caso in cui nessun trigger dei profili del settore sia verificato, il profilo attivo è quello di default. Per ogni settore esiste uno ed un solo profilo attivo Profilo di default: viene applicato quando nessun profilo è attivo. Impone luminosità 20 (200 lux: luminosità minima degli ambienti di lavoro richiesta per legge) se viene rilevata presenza di persone e luminosità 0 in caso contrario 5

6 Settore: una stanza è suddivisa in uno o più settori tra loro indipendenti. I componenti ed i sensori di una stanza devono appartenere ad uno e un solo settore. Per ogni settore di ogni stanza: Specifiche: deve essere presente uno ed un solo sensore di luminosità interno deve essere presente uno ed un solo sensore di presenza possono essere eventualmente associati uno o più sensori di luminosità esterni 1. In un settore può essere attivo un solo profilo per volta. Se nessun profilo è attivo viene applicato il profilo di default. 2. Quando viene attivato un nuovo profilo (si verificano tutte le condizioni del trigger) tutti gli attuatori del settore vengono impostati su automatico. 3. Quando una persona agisce sui pulsanti di controllo di un attuatore, l attuatore viene impostato su manuale. 4. Un profilo viene attivato quando tutte le condizioni espresse dal trigger sono verificate. Il sistema deve agire sui soli attuatori impostati su automatico utilizzando una politica di risparmio energetico (punto 8) con lo scopo di ottenere il livello di luminosità del profilo attivo. 5. Gli amministratori possono accedere al sistema dalla intranet o da internet attraverso il web-server 6. Operazioni effettuabili dagli amministratori: a) Gestione di un settore: i. Aggiunta di un profilo ii. Eliminazione di un profilo iii. Modifica di un profilo b) Gestione di più settori (eventualmente appartenenti a stanze diverse): gli amministratori possono effettuare una selezione multipla di settori, e gestirli in modo contemporaneo. Il sistema mostrerà gli (eventuali) profili comuni a tutti i settori selezionati. Le operazioni effettuabili dall amministratore saranno quindi uguali a quelle di gestione di un singolo settore c) Monitoraggio dello stato del sistema: i. Visualizzazione del consumo energetico totale ii. Visualizzazione dello stato dei sensori (es. guasto, attivo, standby ) e dei valori da essi rilevati (es: guasto, acceso, spento, luminosità della stanza) 7. ll movimento del robot è soggetto alle seguenti fasi: a) Richiesta della posizione del Robot (ricezione del waypoint RFID su cui è collocato) b) Calcolo del percorso (sequenza di waypoint) c) Invio al Robot della sequenza di waypoint del percorso 8. Il sistema deve ottenere il livello di luminosità richiesto dal profilo utilizzando una politica di risparmio energetico. Quando possibile il sistema deve alzare le tapparelle per sfruttare la luce esterna, se la luminosità interna non fosse ancora adeguata il sistema deve alzare le luci in modo incrementale fino a che la luminosità del profilo non è raggiunta. 6

7 9. Se possibile il sistema deve ottenere i valori di luminosità e di presenza per mezzo dei sensori. Nel caso questo non sia possibile il sistema deve ottenere la rilevazione richiesta inviando il robot. 10. Se possibile il sistema deve agire sui componenti per mezzo degli attuatori. Nel caso questo non sia possibile il sistema deve agire sui componenti inviando il robot. 7

8 Diagrammi e scenari: Figura 2 - Gestione dell'illuminazione 8

9 Figura 3: use case generale del sistema Autenticazione amministratore Scenario principale: 1. Una persona inserisce nome utente e password 2. Il sistema stabilisce che i campi inseriti dall utente sono validi 3. Il sistema conferma la correttezza dei campi 4. L amministratore è abilitato a effettuare le operazioni sul sistema Estensione: 1a. Una persona inserisce utente e/o password errati 2a. Il sistema stabilisce che i campi inseriti dalla persona non sono validi 3a. Il sistema avverte la persona che i campi inseriti sono errati e chiede il reinserimento dei dati. Si torna al punto 1 dello scenario principale 9

10 Figura 4 - Activity diagram: autenticazione 10

11 Gestione di uno o più settori Scenario principale: 1. L amministratore seleziona uno o più settori 2. Il sistema mostra i profili comuni a tutti i settori selezionati Estensione: aggiunta di un profilo 3. L amministratore crea un profilo 4. Il sistema aggiunge il profilo a tutti i settori selezionati Estensione: eliminazione di un profilo 3. L amministratore elimina un profilo 4. Il sistema elimina il profilo da tutti i settori selezionati Estensione: modifica di un profilo 3. L amministratore seleziona un profilo 4. Il sistema mostra i dettagli del profilo 5. L amministratore modifica il trigger e il livello di luminosità del profilo 6. L amministratore conferma le modifiche 7. Il sistema aggiorna il profilo in tutti i settori selezionati Figura 5: use case dettaglio gestione di uno o più settori 11

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13 Figura 6 - Activity diagram: attuazione tramite robot 13

14 Comando manuale di un attuatore Scenario principale: 1. Una persona preme un pulsante di comando di un attuatore di un settore 2. Il sistema imposta l attuatore su manuale 3. Il sistema applica il profilo attivo agendo sugli attuatori impostati su automatico Figura 7: use case sensori 14

15 Monitoraggio del sistema Scenario principale: 1. Un amministratore accede alla pagina di monitoraggio del sistema 2. Il sistema visualizza il consumo energetico del sistema di illuminazione Estensione: visualizzazione dello stato dei sensori e dei valori rilevati 3. L'amministratore accede alla pagina di monitoraggio dello stato dei sensori e dei valori rilevati 4. Il sistema richiede la selezione di una stanza e fornisce un elenco delle stanze 5. L amministratore seleziona una stanza dall elenco 6. Il sistema richiede la selezione di un settore e fornisce un elenco dei settori della stanza 7. L amministratore seleziona un settore della stanza 8. Il sistema visualizza lo stato e i valori dei sensori presenti nel settore Figura 8: use case dettaglio monitoraggio sistema 15

16 Activity: Figura 9: activity scelta profilo attivo stato 16

17 Figura 10 - activity scelta profilo attivo tempo 17

18 Figura 11: activity applicazione profilo attivo 18

19 Figura 12: activity movimento robot 19

20 Classi astratte: Figura 13: Classi del sistema Figura 14: Dettaglio package attuatori 20

21 Figura 15: Dettaglio package edificio Figura 16: Dettaglio package profilo 21

22 Figura 17: Dettaglio package sensori 22

23 Architettura, Tecnologie e Deployment: Per lo sviluppo del sistema si utilizza il linguaggio orientato agli oggetti Java. Viene utilizzata la piattaforma Java J2EE-Java Enterprise Edition ( adottando la tecnologia dei componenti software riusabili Enterprise JavaBeans -EJB ( L ambiente di sviluppo integrato adottato è NetBeans IDE ( L application server utilizzato è GlassFish, un open source server della Sun integrato in NetBeans. ( L architettura del sistema è 3-tier. Figura 20 - Architettura del sistema 3-tier Presentation Layer: poichè si vuole rendere accessibile il sistema tramite internet svilupperemo un'interfaccia basata su web. A questo scopo adotteremo il pattern MVC (Model-View-Controller) che meglio si adatta a separare la logica di business e il livello di presentazione. MVC è un pattern architetturale molto diffuso nello sviluppo di interfacce grafiche di sistemi software object-oriented. Figura diagramma interazione MVC 23

24 Nella nostra implementazione di MVC utilizziamo le seguenti tecnologie: View: Java Server Page (JSP) Controller: Servlets Model: classi che permettono l accesso al livello dati: Entity Bean oppure Session Bean per con la funzione di Facade per meglio separare il livello di presentazione da quello dei dati. Figura 22 - MVC dettaglio tecnologie utilizzate BusinessLogic Layer: in questo livello sono presenti le classi che implementano la logica del sistema: Session Bean di tipo Stateless o Statefull. Data Layer: dato che l'applicazione non sviluppa un flusso di dati eccessivamente consistente e non necessita di tempi di risposta brevi, per la persistenza si è deciso di adottare il DBMS MySQL ( poichè è gratuito, ampliamente supportato e facilmente integrabile. Il motore di persistenza utilizzato è un prodotto open source della Oracle, TopLink, una soluzione ORM (object-relational mapping) sviluppata per le applicazioni Java e integrata direttamente nell ambiente di sviluppo e compatibile con il DBMS e con l application server utilizzati ( 24

25 Figura 23 Scelte architetturali e tecnologie. Figura 24: diagramma deployment 25