An energy efficiency-oriented solution for Home Automation

This work addresses an IoT application for Home Automation to ensure energy efficiency. It also deals with how a uniform communication paradigm can be used to enable communication between both wired and wireless devices from different manufacturers. As a matter of fact, being one of the most popular emerging phenomena of the last few years, IoT is rapidly expanding in the market and everyday life, as a bigger and bigger number of companies is starting to invest in the field. Thus, at first, the available literature and applications are examined to compare all available wireless protocols having the capability to unify devices having different technologies by including them in the same communication network. One of the most suitable wireless protocols is considered, indeed Z-Wave, which introduces interoperability and real-time availability of information for the central node controlling the whole network, i.e., the gateway or hub. This can be obtained also for wired devices, by means of the design of a firmware behaving as a bridge between protocols. This setup allows to target energy efficiency applications in a household environment. In the thesis, this is obtained by developing an Optimum Start and Stop algorithm. The latter is devised to achieve the monitoring of utilities in a home or apartment, and by autonomously turning on and off the heating of a single room. The user can manage all the desired parameters through a smartphone application: he can set the time at which a temperature setpoint should be reached for a unique location so that the algorithm can dynamically determine the best instant to switch on and off the heating system. In conclusion, for what concerns a Smart Home sensor network, it has been demonstrated that is possible rationalize the interesting resources and optimize the user energy savings through the development of such systems.

Questo lavoro si occupa di un’applicazione nel campo dell’Internet of Things (IoT) e riguarda nello specifico l’efficientamento energetico in ambito Home Automation. Viene anche affrontato il problema di come un paradigma di comunicazione uniforme sia necessario tra i vari dispositivi, cablati e non, per garantire collaborazione tra di essi nel caso vengano prodotti da diverse industrie. Infatti, essendo uno dei fenomeni emergenti degli ultimi anni, l’IoT si sta rapidamente espandendo sia sul mercato che nella vita di tutti i giorni, dal momento che un sempre più grande numero di industrie sta investendo nel campo. Di conseguenza, prima di tutto sono state esaminate quanto è disponibile in letteratura e le applicazioni già rodate, di modo da comparare tutti i protocolli wireless in grado di garantire un certo livello di cooperazione tra dispositivi differenti tramite l’inserimento di questi ultimi all’interno della stessa rete di comunicazione. Il più appropriato protocollo wireless tra quelli considerati è risultato essere Z-Wave il quale introduce i concetti di interoperabilità e disponibilità di dati in tempo reale per il nodo centrale che controlla la rete di sensori, ossia il gateway o hub. Tutto questo può essere ottenuto anche nel caso di sensori cablati, tramite il design di un firmware, il quale funge da tramite tra i vari protocolli di comunicazione interessati. Questo setup consente di avere come target l’efficientamento energetico in un ambiente domestico. Nella tesi, tutto ciò viene ottenuto tramite lo sviluppo di un algoritmo di Optimum Start and Stop. Quest’ultimo è progettato per monitorare i consumi in una casa o appartamento, accendendo e spegnendo in maniera autonoma il riscaldamento in ogni singola stanza. L’utente può poi impostare tutti i parametri desiderati tramite un’applicazione per smartphone: il tempo in cui il setpoint di temperatura va raggiunto per un’unica stanza in modo che l’algoritmo possa determinare dinamicamente l’istante in cui accendere e spegnere il riscaldamento. Concludendo, per quanto riguarda una rete di sensori per la domotica, è stato dimostrato che è possibile razionalizzare le risorse rilevanti e ottimizzare il risparmio energetico dell’utente tramite lo sviluppo di un sistema come quello descritto.