Verwendung eines Raspberry Pi als GLT-Gateway

Anwendungsfälle

Hintergrund des Projekts

Eine Universität, die ihre Infrastruktur modernisieren wollte, führte ein Projekt zur Automatisierung und Zentralisierung des Gebäudemanagements mithilfe einer kostengünstigen und anpassbaren Lösung durch. Das Hauptziel bestand darin, die Energieeffizienz zu verbessern, einen optimalen Komfort für Studierende und Mitarbeiter zu gewährleisten und die Betriebskosten zu optimieren. Um dies zu erreichen, entschied sich die Universität für die Verwendung von Raspberry Pi als GTB-Gateways (Gebäudeleittechnik).

Herausforderung

Die Gebäude der Universität, die größtenteils aus den 1980er Jahren stammen, verfügen über unterschiedliche und veraltete Systeme zur Steuerung von Beleuchtung, Heizung, Klimaanlagen und Sicherheit. Jedes Gebäude funktioniert autonom, was eine zentrale Verwaltung unmöglich macht.

Ziele

  1. Erstellen Sie eine zentrale Lösung zur Überwachung und Steuerung aller Gebäude.
  2. Verwenden Sie Standardprotokolle wie Modbus, BACnet, SNMP, Zigbee und MQTT, um bestehende Systeme miteinander zu verbinden.
  3. Optimierung des Energieverbrauchs und Senkung der Betriebskosten.
  4. Bereitstellung einer intuitiven Schnittstelle für die Verwaltung von Geräten in Echtzeit.

Lösungsvorschlag: Raspberry Pi als GTB-Gateway

Die Wahl des Raspberry Pi hängt von mehreren Schlüsselfaktoren ab:

  • Erschwingliche Kosten : Ein Raspberry Pi Gateway kostet etwa zehnmal weniger als ein dedizierter Server.
  • Interoperabilität : Kompatibel mit den wichtigsten Protokollen, die in der Gebäudeverwaltung verwendet werden.
  • Flexibilität : Fähigkeit, moderne und alte Sensoren über Adapter zu integrieren.
  • Skalierbarkeit : Möglichkeit, neue Funktionen nach zukünftigen Bedürfnissen hinzuzufügen.

Ablauf des Projekts

Schritt 1: Einrichten der Raspberry Pi Gateways

Jedes Gebäude ist mit einem Raspberry Pi 4 ausgestattet, der so konfiguriert ist, dass er als GLT-Gateway fungiert. Diese Gateways werden über spezielle Adapter mit den lokalen Systemen verbunden :

  • Modbus RTU für Energiezähler und Heizkessel.
  • BACnet IP für Klima- und Lüftungsanlagen.
  • Zigbee für drahtlose Sensoren (Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Anwesenheit).
  • SNMP um Netzwerkgeräte zu überwachen.

Schritt 2: Gebäude vernetzen

Die Gateways sind über Ethernet oder sicheres Wi-Fi mit dem zentralen Netzwerk der Universität verbunden. Die gesammelten Daten werden an einen zentralen Server gesendet, der auf einem Raspberry Pi 5 gehostet wird, der mit einem SSD-Laufwerk ausgestattet ist, um eine große Datenbank zu verwalten.

Schritt 3: Entwicklung einer Benutzeroberfläche

Eine personalisiertes Webinterface wurde mit Node-RED und Grafana entwickelt, um :

  • Die Visualisierung von Daten in Echtzeit (Energieverbrauch, Temperaturen usw.).
  • Die Einrichtung von Warnungen bei Anomalien.
  • Die Verwaltung von Geräten, z. B. das automatische Einschalten der Beleuchtung entsprechend den Unterrichtszeiten.

Schritt 4: Automatisierung von Prozessen

Python-Skripte wurden zur Automatisierung von Routineaufgaben eingesetzt :

  • Verwaltung der Beleuchtung : Die Lichter schalten sich dank Zigbee-Sensoren automatisch aus, wenn die Räume nicht besetzt sind.
  • Klimaanlage : Die Temperaturen werden entsprechend der Belegung der Gebäude und der Wettervorhersage angepasst.
  • Sicherheit : Die an den Raspberry Pi angeschlossenen Kameras erkennen Bewegungen außerhalb der erlaubten Zeiten und senden Warnmeldungen.

Erzielte Ergebnisse

  1. Kosten senken : Ein Rückgang des Energieverbrauchs um 25 % wurde bereits im ersten Jahr beobachtet.
  2. Verbesserter Komfort Die Schüler und Mitarbeiter profitieren von ständig optimierten Temperaturen und Beleuchtungen.
  3. Reduzierung der Ausfallzeiten : Kritische Geräte werden in Echtzeit überwacht, was eine effektive vorausschauende Wartung ermöglicht.
  4. Erfolgreiche Zentralisierung : Alle Gebäude werden nun über eine einzige intuitive Benutzeroberfläche gesteuert.

Zusätzlich verwendetes Protokoll: LoRaWAN für Außenbereiche

Für große Flächen wie Sportplätze und Parkplätze werden angeschlossene Sensoren über LoRaWAN wurden bereits eingesetzt. Sie übertragen Daten über die Belegung und den Energieverbrauch über große Entfernungen, ohne dass eine dichte Netzwerkverbindung erforderlich ist.

Vorteile des Raspberry Pi in diesem Projekt

  • Maximale Interoperabilität : Kompatibel mit Modbus, BACnet, Zigbee, MQTT, LoRaWAN und vielen anderen.
  • Anpassungsfähigkeit : Einfach in bestehende Infrastrukturen zu integrieren.
  • Zugänglichkeit : Manager können von jedem verbundenen Gerät aus auf die Daten zugreifen.

Schlussfolgerung

Dieser Anwendungsfall zeigt, wie der Raspberry Pi kann das Management von intelligenten Gebäuden verändern. Mit einer kostengünstigen und skalierbaren Lösung ist es möglich, Systeme zu zentralisieren, Kosten zu optimieren und die Energieeffizienz zu verbessern, während gleichzeitig eine außergewöhnliche Nutzererfahrung gewährleistet wird.

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