ERK'2019, Portorož, 23-26 23 Sistem za nadzor dimniˇ skih poˇ zarov Aljaˇ z Gaber, Boˇ stjan Vlaoviˇ c Fakulteta za elektrotehniko, raˇ cunalniˇ stvo in informatiko, Univerza v Mariboru Koroˇ ska cesta 46, 2000 Maribor, Slovenija E-poˇ sta: aljaz.gaber@student.um.si, bostjan.vlaovic@um.si Chimney fire control system In many parts of the world it is necessary to have a heating system installed in our homes. Most of these systems contain a chimney. Inadequate maintenance presents risk of creosote build-up on its inner walls. It can ignite under the high temperature of flue gases and eventually cause a chimney fire. As a part of the student project, we have developed a low-cost DIY prototype wireless sensor system for detecting chim- ney fires. It contains a measurement and receiving unit, whicharebasedontheIoTplatformNodeMCU. The measurement unit reads the temperature of the flue gases and concentration of the carbon monox- ide. Data are encrypted with the XXTEA algorithm and sent to the receiving unit using LoRa technology. The receiver unit stores the received data on a remote Firebase via Wi-Fi technology. The article presents the development of the prototype, and suggests ad- ditional functionalities that could be developed using the proposed approach. 1 Uvod V mnogih predelih sveta je ogrevanje kljuˇ cnega po- mena za normalno bivanje. Najbolj pogosti so ogre- valni sistemi z dimniki. To podroˇ cje je v Sloveniji zakonsko urejeno, a se kljub temu ocenjuje, da je kar 30.000 hiˇ snih dimnikov neprimerno vzdrˇ zevanih. Tovrstna malomarnost je ena izmed glavnih povzro- ˇ citeljev dimniˇ skih poˇ zarov. Dimniˇ ski poˇ zar lahko definiramo kot vˇ zig nabranega kreozota na notra- njihstenahdimnika. Nevzdrˇ zevanidimnikimaveˇ cjo moˇ znost za nabiranje kreozota, ki je zmes fenola in fenolovihetrov. Nastaneprinepopolnemizgorevanju ob uporabi neustrezne kurjave, kot je moker les ali karton. Najpogostejˇ si vzrok za vˇ zig kreozota je vroˇ c ogenj v kurilni peˇ ci, ki prekomerno segreje izhodne pline [1]. Optimalna povpreˇ cna temperatura izho- dnih plinov je 110 °C. Faza vˇ ziga kreozota se zaˇ cne, ko izhodni plini doseˇ zejo temperaturo nad 500±37 °C. Do poˇ zara pride, ko je kreozot izpostavljen tej temperaturi za pribliˇ zno 30 minut. V fazi poˇ zara iz- hodni plini s hipnim skokom doseˇ zejo temperaturo do 1000 °C, gostota ogljikovega monoksida pa pre- sega 7000 delcev na milijon [2, 3, 4]. Letno zabeleˇ zimo veˇ c kot 600 dimniˇ skih poˇ zarov pri povpreˇ cni starosti objektov 34 let [5]. V pri- merjavi s Finsko, ki ima dvakrat veˇ cjo populacijo od Slovenije, veliko hladnejˇ se podnebje ter je ve- liko intenzivnejˇ si uporabnik ogrevalnih sistemov, je med letoma 2008 in 2014 v dimnikih zagorelo med 500 do 700-krat na leto [6]. Ta statistiˇ cni poda- tek nakazuje, da imamo v povpreˇ cju veˇ cje ˇ stevilo dimniˇ skih poˇ zarov. V okviru ˇ studentskega projekta smo zato sprejeli izziv in razvili prototip nizkoce- novnega brezˇ ziˇ cnega senzorskega sistema za detek- cijo dimniˇ skih poˇ zarov. Naˇ s cilj ni bila profesionalna naprava, temveˇ c pripomoˇ cek, kibigalahkozaintere- sirani posamezniki izdelali sami, pri delovanju upo- rabili obstojeˇ co infrastrukturo ter na ta naˇ cin pripo- mogli k veˇ cji varnosti svoje nepremiˇ cnine. Po pregledu obstojeˇ cih reˇ sitev in uvodnem spo- znavanjulastnostidimniˇ skihpoˇ zarovsmoseodloˇ cili, da sistem razdelimo na dva sklopa. Na hiˇ snem di- mniku bo nameˇ sˇ cena merilna enota, ki z uporabo razliˇ cnih senzorjev detektira potencialno nevarnost zarazvojdimniˇ skegapoˇ zara. Obizpolnjenihpogojih se posreduje ˇ sifrirano sporoˇ cilo na sprejemno enoto. Slednja lahko sprejema podatke z veˇ c merilnih enot ter ukrepa skladno s sprejetim protokolom. Enoti za komunikacijo uporabljata omreˇ zje LoRa (slika 1). Sprejemna enota vkljuˇ cuje tudi svetlobno in zvoˇ cno signalizacijo ob prejetem LoRa paketu ter omogoˇ ca povezavo v medmreˇ zje preko Wi-Fi. To predstavlja osnovo za razvoj centralnega sistema za obveˇ sˇ canje, tudi z uporabo storitev v oblaku in aplikacij za mo- bilne telefone. LoRa Mikrokrmilnik Senzorji Wi-Fi LoRa Mikrokrmilnik Opozorilni signali šifrirana brezži na povezava medmrežje Slika 1: Zasnova sistema V drugem poglavju podrobneje predstavimo po- sameznesklopeinizbranegradnikeprototipa. Vtre- 24 tjem poglavju opiˇ semo komunikacijo preko omreˇ zja LoRainˇ sifriranje. Vzakljuˇ ckupodamoocenostroˇ skov ter predloge za izboljˇ save. 2 Zasnova prototipa Odloˇ cili smo se, da bo prvi prototip meril tempe- raturo izhodnih plinov in gostoto delcev CO, ki so posledica nepopolnega izgorevanja ob gorenju kreo- zota. Presodili smo, da je kombinacija teh vzorcev lahko dovolj zanesljiva indikacija razvoja poˇ zara v dimniku. IzbralismoprototipnoplatformoNodeMCUzmo- dulom ESP8266. NodeMCU vkljuˇ cuje 16 digitalnih vhodov oz. izhodov, analogni vhod, operacijski sis- tem XTOS, podporo omreˇ zju Wi-Fi in vodilo USB, preko katerega se lahko platforma tudi napaja. Na voljo je 123 kB delovnega pomnilnika in trajni po- mnilnik velikosti 4 MB [7]. To platformo smo izbrali zaradinizkeenergijskeporabeinprekratkeˇ casovnice zarazvojlastnetiskanine. Zapodporoomreˇ zjuLoRa smo izbrali modul Ra-01. 2.1 Merilna enota Merilna enota deluje avtonomno v enem izmed dveh naˇ cinov. V aktivnem stanju izvaja meritve, preostali ˇ cas pa je v t. i. globokem spanju z optimirano po- raboenergije. Meritveseizvajajo6-kratnaurov10- sekundnih intervalih. To nam omogoˇ ca pravoˇ casno detekcijo faze vˇ ziga kreozota. Po meritvi se podatki poˇ sljejo na sprejemno enoto preko omreˇ zja LoRa, preostaliˇ caspajeenotaneaktivna(slika2). Zamer- jenje temperature smo uporabili senzor DHT-11, za merjenje gostote plinov pa senzor MQ-2. Merilna enota aktiviraj se zaženi asovnik šifriraj in pošlji povezava na Wi-Fi posredovanje Sprejemna enota DA NE prejet zapusti omrežje Wi-Fi podatkovni paket meritev v oddaljeno podatkovno bazo podatke izvedi meritve globok spanec Slika 2: Poenostavljen diagram izvajanja Temperaturepridimniˇ skempoˇ zarupresegajospe- cifikacije izbranega temperaturnega senzorja, saj ta deluje zgolj do 80 ◦ C. Pred testiranjem na dimniku bibilopotrebnouporabitisenzor, kipodpirameritve vsajdo500ºC,naprimersenzorDM-333,kipodpira meritvedo600 ◦ C.Zapotrebeprototipasmosprejeli omejitve izbranegasenzorja, kidelujeznatanˇ cnostjo ±2 ◦ C. Za vzpostavitev delovanja senzorja smo upo- rabiliprostodostopnoknjiˇ znico[8,9]. Senzorzasvoje delovanje potrebujenapajalno napetost3,3 V.DHT- 11 je digitalni senzor, izmerjene vrednosti tempera- ture beremo preko digitalnega vmesnika D4 na No- deMCU. SenzorMQ-2zaznavadiminpline,kotsoogljikov monoksid, propan in metan v koncentracijah med 300 in 10.000 delci na milijon [10]. Pri nepopol- nem gorenju kreozota vsebuje nastali dim koncen- tracijo ogljikovega monoksida, ki je viˇ sja od 7000 delcev na milijon. Za delovanje priporoˇ ceno potre- buje napetost 5 V, vendar smo uporabili napajalno napetost 3,3 V. Pri testiranju nismo opazili teˇ zav, zatonismouporabilinapetostnegapretvornika. Sen- zor vkljuˇ cuje grelnik jakosti 900 mW in poseben po- stopek kalibracije z 20-sekundnim predgretjem sen- zorja. V naˇ si aplikaciji krˇ simo priporoˇ cila glede tra- janja meritve, saj je 10 sekund ravno polovica pri- poroˇ cene vrednosti. S krajˇ so meritvijo podaljˇ samo ˇ cas avtonomnega delovanja sprejemne enote. Ker ne potrebujemovisokenataˇ cnostimeritev,senzorpase- grevajo tudi izhodni plini, smo bili pripravljeni spre- jeti ta kompromis. Ob testiranju se niso pokazala pomembna odstopanja zaradi krajˇ sega ˇ casa meritve. Za poveˇ canje avtonomnosti izklopimo grelnik tudi v ˇ casu globokega spanja z uporabo MOSFET tranzi- storja. Izmerjenevrednostiberemozuporaboanalog- no-digitalnegaprikljuˇ ckaA0namikrokrmilniku. Vre- dnosti predstavljajo izhodno napetost v referenˇ cnih enotah, ki so proporcionalne s koncentracijo plina ali dima v zraku. Obˇ cutljivost senzorja izberemo s spremenljivim uporom nameˇ sˇ cenim na ohiˇ sju sen- zorja. Senzor vsebuje zaznavni element, ki temelji naaluminijevemoksidusprevlekoizkositrovegadio- ksida. Senzorgledenakoncentracijoplinovoz. dima v zraku spreminja upornost zaznavnega materiala. Upornost se spreminja v obmoˇ cju med 20 kΩ in 2 kΩinjedodatnoodvisnaodvlaˇ znostiintemperature okolice. Mejne vrednosti za zaznavo CO smo izvedli s testiranjem. Na aluminijasti ploˇ sˇ ci smo s spajkal- nikom segrevali vzorec kreozota iz hiˇ snega dimnika dopojavaognja. Medsegravanjemsmosenzordrˇ zali 20 cm nad ploˇ sˇ co. Skladno s priporoˇ cili za uporabo senzorja MQ-2 smo mejne koncentracije CO v dimu doloˇ cali tako, da smo ugotavljali razmerje Rs/Ro. Z uporabo podatkovnega lista lahko doloˇ cimo koncen- tracijo CO v delcih na milijon. Izmerjena vrednost Rs/Ro je bila v stanju brez zaznanih plinov 7,55. V fazi vˇ ziga, ob pojavu belega dima, je padla na 5,01. Ob vˇ zigu se je pojavil ogenj in ˇ crn dim. V tej fazi je vrednostRs/Ropadlana1,79,karoznaˇ cujevsebnost 25 CO s koncentracijo okoli 7000 delcev na milijon. Na merilni enoti se prebrane vrednosti tempera- ture in gostote dima hranijo v loˇ cenih nizih, na pri- mer, temp=74, dim=6.21. Pred prenosom podatkov sepoljizdruˇ zitavskupniznakovniniz, zapodanpri- mer se uporabi ”74,6.21”. Niz se pred oddajo ˇ sifrira z uporabo algoritma XXTEA. V aktivnem stanju merilna enota porabi v pov- preˇ cju 130 mA, v ˇ casu globokega spanja pa okoli 50 nA. Meritve izvajamo vsakih 10 minut. To zado- stuje za pravoˇ casno zaznavo vzpostavljanja pogojev za razvoj dimniˇ skega poˇ zara. Ob izbiri napajalnega vira kapacitete 20 Ah lahko doseˇ zemo avtonomnost naprave za 11 mesecev dolgo kurilno sezono. 2.2 Sprejemna enota Sprejemna enota prejeti znakovni niz preko omreˇ zja LoRa pretvori v format JSON. Do medmreˇ zja je po- vezana z uporabo omreˇ zja Wi-Fi. Meritev shrani v oddaljeno podatkovno bazo Firebase v formatu {”temp”,74}, {”dim”,6.21}. S takˇ snim pristopom smo testirali delovanje v oblaku ter hkrati zagoto- vilipodpororazliˇ cnimuporabniˇ skimplatformam[11, 12]. Za namene testiranja smo dodali svetleˇ co diodo in piskaˇ c, ki signalizirata uspeˇ sno prejet paket. De- lovanje te enote ni avtonomno, saj je prikljuˇ cena na stalni vir napajanja. Deluje tako, da ves ˇ cas pre- verja, ali je na voljo nov paket iz katere merilne enote (slika 1). Ob prejetem paketu se preko Wi-Fi modula poveˇ ze na usmerjevalnik in podatke shrani v oddaljeno podatkovno bazo Firebase. Naprava je povezana v medmreˇ zje samo za ˇ cas prenosa. S tem doseˇ zemo manjˇ so izpostavljenost varnostnim tvega- njem ter potencialnim teˇ zavam ob ponovnih zagonih usmerjevalnika. 3 Omreˇ zje LoRa Merilnainsprejemnaenotakomunicirataprekobrez- ˇ ziˇ cne tehnologije LoRa. Tehnologija je namenjena uporabi v aplikacijah z nizko porabo energije, majh- nimi prenosnimi hitrostmi in komunikacijo na soraz- merno dolgih razdaljah. Praviloma je omreˇ zje sesta- vljeno iz centralnega vozliˇ sˇ ca, na katero je poveza- nih veˇ c ostalih vozliˇ sˇ c. Prenosne hitrosti zadostujejo naˇ sim potrebam [13]. Wi-Fi Merilna t2 t1 t4 t3 merilne vrednosti LoRaWAN ACK asovni žig (t1,t4) avtorizacija Sprejemna Usmerjevalnik enota enota potrditev prekinitev povezave potrditev baza Podatkovna prenos podatkov potrditev Slika 3: Sporoˇ cila med usmerjevalnikom, merilno in sprejemno enoto LoRa modul Ra-01 vkljuˇ cuje integrirano vezje SX1278 z obˇ cutljivostjo reda -148 dBm in podporo modulacijam FSK, GFSK, MSK in GMSK. Modul odlikuje nizka poraba: 93 mA pri poˇ siljanju, 12,15 mA ob sprejemu in 1,6 mA v stanju pripravljenosti. Predviden doseg signala modula je do 5 km. Ome- jitev pa predstavlja podprti frekvenˇ cni obseg delo- vanja med 410 in 525 MHz in ne na frekvenci 868 MHz, na kateri deluje LoRa omreˇ zje v naˇ sem oko- lju. Zaradiˇ casovnihomejitevprojektasmosevseeno odloˇ cili za njegovo uporabo na frekvenci 433 MHz. Modul ima priloˇ zeno vijaˇ cno anteno, ki se namesti s spajkanjem. Predviden dobitek antene je 2,5 dBi [14]. Zanamestitevnarazvojnoploˇ sˇ cosmouporabili namenski adapter ESP-12. Komunikacijo vedno priˇ cne merilna enota (slika 3). Ob prehodu iz globokega spanca izmeri vredno- sti,pripravipaketLoRaingapoˇ sljenanaslovspreje- mne enote [15]. Sledi potrditev o uspeˇ sno sprejetem paketu. Merilna enota poˇ slje ˇ casovni ˇ zig z zaˇ cetnim (t1) in konˇ cnim ˇ casom (t4). To potrebuje algoritem za sinhronizacijo. Pri programski izvedbi povezave smo uporabili knjiˇ znico ”Lora Shield Arudino”. Za varno komunikacijo med enotama se poslane podatke ˇ sifrira po postopku XXTEA [16]. Postopek temeljinaCorrectedBlockTEAalgoritmuinseupo- rablja pri veˇ c IoT projektih, saj ni procesorsko zah- teven. Omejitev uporabljene knjiˇ znice je, da lahko naenkratzakodiramonajveˇ c80zlogov. Vnaˇ sempri- merutonepredstavljaovire,sajpodatkinepreseˇ zejo 48zlogov. Poslanipodatkisenamerilnienotiˇ sifrirajo tik pred poˇ siljanjem, na sprejemni pa deˇ sifrirajo ta- koj po prejetju. Enoti za uspeˇ sno komunikacijo upo- rabljata enak ˇ sifrirni kljuˇ c. Ob testiranju na terenu smo dosegli domet si- gnala okoli 610 m. Ko smo sprejemno enoto name- stili v notranjost stavbe, se je domet zmanjˇ sal za pribliˇ zno 100 m. Sprejemna enota lahko sprejema podatke na 24 razliˇ cnih kanalih. Stroˇ ski izdelave prototipa merilne enote so 35 €, stroˇ ski sprejemne enote pa 25 €. Dobava vseh kom- ponent traja pribliˇ zno dva tedna. Vse uporabljene knjiˇ znice in programska oprema je brezplaˇ cna. V ra- zvoj in testiranje prototipa smo vloˇ zili okoli 150 ur. 4 Zakljuˇ cek in moˇ znosti za izboljˇ save V ˇ clanku smo predstavili prototip sistema za nad- zor dimniˇ skih poˇ zarov. Predstavili smo uporabljene komponente, njihovo vkljuˇ citev v sistem in imple- mentacijo. Razvito programskoopremosmotestirali ob nadzorovanem ognju, preverili smo doseg sistema in ocenili stroˇ sek izdelave prototipa. Sistembibilovsekakorsmotrnonadgraditispod- poro delovanju na frekvenci 868 MHz, saj bi tako lahko,zaradiobstojeˇ ceinfrastrukture,bistvenopove- ˇ cali obmoˇ cje delovanja posamezne sprejemne enote. Uporabili bi lahko obstojeˇ ce omreˇ zje LoRaWan, kjer je trenutno aktivnih 58 prehodov. Dodatno bi ve- ljalo preveriti razliˇ cne naˇ cine delovanja z namenom 26 Slika 4: Izmerjen domet na prostem, med merilno in sprejemno enoto poveˇ canja dosega. Ob razvoju nove razliˇ cice pro- totipa bi se lahko posebna pozornost posvetila po- daljˇ sanju ˇ casa avtonomije merilne enote, razmisleku o pripravi protokola za povezavo ˇ cim veˇ cjega ˇ stevila merilnihenotnaposameznosprejemnoenotoinpove- ˇ canjuzanesljivostizuvedboredundanˇ cnihsprejemnih enot. Pregled nad podatki lahko izvedemo s spletno aplikacijoalinamenskoaplikacijozamobilnenaprave. Tako bi lahko imel uporabnik na voljo dodatno ana- lizo in kronoloˇ ski pregled merilnih vrednosti. Ob tem bi skrbni uporabnik lahko zaznal spremembe v svojem hiˇ snem dimniku in pravoˇ casno ukrepal ˇ se pred razvojem pogojev za dimniˇ ski poˇ zar. Ob tem bi se verjetno pojavila potreba za boljˇ so kalibracijo senzorja za dimne pline, ki jo trenutni prototip ne vkljuˇ cuje. Vprimerutestiranjavrealihpogojihdelovanjabi bila najprimernejˇ sa namestitev merilne enote v kapo dimnika. Izbrano ohiˇ sje bi moralo biti odporno na zunanje vplive, primerno velikost celotne enote pa bi lahko zagotovili tudi z izvedbo lastne tiskanine, ˇ cemur se ob izdelavi prvega prototipa nismo posve- tili. Literatura [1] Chimney Fires Can Be Prevented. Northeastern Chimney, Inc., oktober 2015. Dostopno na: https://www.ctsweep.com/blog/top-sweep- stories/chimney-fires-can-be-prevented/ [2] Greiner H. T. Carbon Monoxide Poisoning: Checking for Complete Combustion (AEN-175). Department of Agricultural and Biosystems Engineering, Iowa State University, september 1997. Dostopno na: https://www.abe.iastate.edu/extension-and- outreach/carbon-monoxide-poisoning-checking-for- complete-combustion-aen-175/ [3] Baker E. David. Wood Stove Maintenance and Operation. University of Missouri, oktober 1993. Dostopno na: https://extension2.missouri.edu/g1731 [4] Isenhour E. J., Brewer P. J., Eldridge A. Chimney Fires: Cause, Effects & Evaluation, Chimney Safety Institute of America, marec 2007. Dostopno na: https://www.csia.org/chimneyfires.html [5] ˇ Subic M. Pozimi je lahko dimnik ˇ se kako nevaren, februar 2018. Dostopno na: https://www.dnevnik.si/1042802774 [6] Lepp¨ anen P., Neri M., Luscietti D., Bani S., Pentti M., Pilotelli M. Comparison between Europen chimney test results and actual installations, november 2016. Dostopno na: ht- tps://journals.sagepub.com/doi/full/10.1177/07349 04116680222 [7] NodeMCU, marec 2015. Dostopna na: https://en.wikipedia.org/wiki/NodeMCU [8] DHT Sensor Library, februar 2019. Dostopno na: https://github.com/adafruit/DHT-sensor-library [9] DHT11 – Temperature and Humidity Sensor. Components 101, januar 2018. Dostopno na: https://components101.com/dht11-temperature- sensor [10] MQ-2 Semiconductor Sensor for Combustible Gas. Pololu Robotics & Electronics, januar 2019. Dostopno na: https://www.pololu.com/file/0J309/MQ2.pdf [11] Firebase Realtime Database, januar 2019. Dostopno na: https://firebase.google.com /docs/database/ [12] Firebase Arudino, marec 2019. Dostopno na: https://github.com/FirebaseExtended/firebase- arduino [13] Narayan R. All You Need to Know About LoRaWAN and Hot It Works, november 2015. Dostopno na: https://www.iotleague.com/lorawan- low-power-wide-area-network/ [14] Ra-01 LoRa Module. Ai-Thinker, 2017. Dostopno na: http://wiki.ai- thinker.com/ media/lora/docs/c047ps01a1 ra- 01 product specification v1.1.pdf [15] Sisinni E. Standard LoRaWAN message exchange sequence between end device (ED) and gateway (GW), avgust 2018. Dostopno na: https://www.researchgate.net/figure/Standard- LoRaWAN-message-exchange-sequence-between- end-device-ED-and-gateway-GW fig3 327085205 [16] XXTEA Encryption and Decryption Library for Arduino, november 2018. Dostopno na: https://github.com/boseji/xxtea-lib