Development of a centralized building management system

Abstract

A building management system has user confort and comodity, as well as reduction of energy consumption, as its main goals. To accomplish this, it is necessary to integrate sensors and actuators as to control and retrieve information about the physical processes of a building. These processes include control over illumination and temperature of a room, and even access control. The information, after processed, allows a more intelligent and efficient way of controlling electronic and mechanical systems of a building, such as HVAC and illumination, while also trying to reduce energy expenditure. The emergence of IoT allowed to increment the number of low level devices on these systems, thanks to their cost reduction, increased performance and improved connectivity. To better make use of the new paradigm, it is required a modern system with multi-protocol capabilities, as well as tools for data processing and presentation. Therefore, the most relevant industrial and building automation technologies were studied, as to define a modern, IoT compatible, architecture and choose its constituting software platforms. InfluxDB, EdgeX Foundry and Node-Red were the selected technologies for the database, gateway and dashboard, respectively, as they closely align with the requirements set. This way, a demonstrator was developed in order to assess a systems’s operation, using these technologies, as well as to evaluate EdgeX’s performance for jitter and latency. From the obtained results, it was verified that, although versatile and complete, this platform underperforms for real-time applications and high reading rate workloads.

Um Sistema de Gestão Centralizado tem por objetivo aumentar a comodidade e conforto dos utilizadores de um edifício, ao mesmo tempo que tenta reduzir os consumos energéticos do mesmo. Para isso, torna-se necessário integrar sensores e atuadores para controlar e recolher informação acerca dos processos físicos existentes. Nestes processos estão incluídos a iluminação e temperatura de, por exemplo, uma sala, ou até controlo de acesso. Esta informação, após processamento, permite, de uma maneira mais inteligente e eficiente, controlar os sistemas eletrónicos e mecânicos de um edifício, tais como os sistemas de AVAC ou iluminação, tentando, simultaneamente, diminuir gastos energéticos. O aparecimento do IoT, tornou possível o aumento do número de dispositivos de baixo nível nestes sistemas, graças à redução de custo e aumento de performance e conectividade que estes têm sofrido. Para melhor usufruir deste paradigma, é necessário um sistema moderno, com capacidade de conexão multi-protocolo e ferramentas para processamento e apresentação de informação. Neste sentido, fez-se um estudo das tecnologias mais relevantes da área da automação industrial e de edifícios, de modo a definir uma arquitetura moderna compatível com IoT e a escolher as plataformas de software que a constituem. InfluxDB, EdgeX Foundry e Node-Red foram as tecnologias escolhidas para a base de dados, gateway e dashboard, respetivamente, por serem as que mais se aproximaram dos requisitos definidos. Assim, foi desenvolvido um demonstrador que permitiu verificar o funcionamento de um sistema com a utilização destas tecnologias, assim como avaliar a performance da plataforma EdgeX em termos de jitter e latência. Verificou-se a partir dos resultados obtidos, que embora versátil e completa, esta plataforma ficou aquém do que se pretendia, tanto para aplicações real-time, como para as que necessitem de uma taxa de leitura de sensores elevada.