Geçmişten günümüze akıllı ev sistemleri incelendiğinde büyük bir gelişim görülmektedir. Geçmişte sadece ev içerisindeki lambalar yakılıp söndürülebilirken, günümüzde aydınlatma, ısıtma, enerji ve güvenlik sistemleri kontrol edilebilmektedir.
Akıllı ev (smart home) kavramı ilk defa resmi olarak 1984 yılında Amerikan Ev İnşacıları Derneği (American Association of House Builders) tarafından kullanılmıştır. Ancak akıllı evlerin tarihi daha uzun bir geçmişe dayanmaktadır. 1960’ların başından itibaren meraklılar tarafından akıllı evlerin ilk temelleri olan “kablolu evler (wired homes)” geliştirilmeye başlanmıştır (Harper, 2003). O günden günümüze değin yapılan farklı çalışmalarda akıllı ev yerine, ev otomasyonu, zeki yapı, yapı otomasyon sistemi, akıllı bina ve entegre ev sistemleri gibi terimler kullanılmıştır (Pande & Sen, 2014) (Fernandez, Losada, & Domonte, 2014).
Akıllı ev, ilk zamanlarda Lutolf tarafından “Ev içindeki farklı hizmetlerin, ortak bir iletişim ağı üzerinden ekonomik, güvenli ve konforlu bir biçimde birbirine entegre edilmesidir” şeklinde tanımlanmıştır (Lütolf). Yakın zamanda ise akıllı ev terimini farklı araştırmacılar benzer şekillerde tanımlamıştır.
Akıllı ev Mennicken ve Ark, tarafından bilgisayar teknolojileri kullanılarak ev sakinlerinin konforunu artırmak amacıyla evde yapılamayan işlerin yapılması ya da yapılan işlerin kolaylaştırılmasını sağlayan “ev” olarak tanımlanmıştır (Mennicken, Vermeulen, & Huang, 2014). Aldrich ise akıllı evi, bilgisayar ve iletişim teknolojileriyle donatılmış, ev sakinlerinin konfor, rahatlık ve güvenliği için kolaylıklar sunan bir ev olarak tanımlamıştır (Fernandez, Losada, & Domonte, 2014).
Bir başka araştırmacı olan Yılmaz, akıllı evleri bir merkezden kontrol edilebilen, birbirleriyle haberleşebilen, ilişki kurabilen ve bütün bu teknolojiler sayesinde kişilere daha tasarruflu, daha güvenli, daha konforlu, ihtiyaçlara cevap verebilen ve hayatı kolaylaştıran imkanlar sunan evler olarak tanımlamıştır (Yılmaz, 2014). Akıllı ev, bu tanımlamalar göz önüne alındığında “bilgisayar ve iletişim teknolojileri kullanılarak ev sakinlerinin yaşam standardını yükselten ev” olarak genel bir ifadeyle tanımlanabilir.
Günümüzde birçok kişi tarafından uzaktan erişilerek çeşitli aygıtların açılıp kapatılabildiği evler “akıllı (smart)” olarak nitelendirilmektedir. Ancak bu tür evlerde herhangi bir otomasyon işlemi yapılmamaktadır. Bu tür evler, akıllı olarak nitelendirilse de bunun sebebi “akıllı” kelimesinin bir pazarlama terimi olarak kullanılmasından ileri gelmektedir.
Örneğin Riverside Concept Houses, bir evin akıllı olarak tanımlanabilmesi için birbiri ile haberleşebilen ve uyum içinde çalışabilen aydınlatmalar, perdeler-panjurlar, televizyonlar, klimalar, müzik sistemleri, vb. gibi tüm elektrikli aletlerin tek bir kumanda ve-veya internet üzerinden kontrol edebilen sisteme sahip olması gerektiğini belirtmiştir (Riverside Concept Houses, 2014).
Araştırmacılar ise kişilere duyarlı ve onlara sofistike yollarla çözümler sunan, örneğin öğrenme algoritmaları kullanarak kişi davranışlarını öğrenen ve otomatik olarak ısıtma ve aydınlatma sistemini kontrol eden evleri “akıllı” olarak nitelendirmiştir (Mennicken, Vermeulen, & Huang, 2014). Akıllı evlerin ilk çıkış amacı binalarda yer alan elektrikle çalışan cihazların ve güvenlik aygıtlarının kullanıcı dostu bir sistemle kontrol edilebilmesidir (Stefanov & Bien, 2004). Günümüzde ise evin içinde ve dışında yer alan birçok donanımın kontrolü ve takibi akıllı ev otomasyon sistemleri aracılığıyla yapılabilmektedir. Bu donanımlar aydınlatma, ısıtma, güvenlik, su ve elektrik sistemleridir.
Modern akıllı evlerde evde yer alan donanımların kontrollerinin yanı sıra ev konforunu artıracak farklı uygulamalarda yer almaktadır. Bunlara; bebekler ve çocuklar ile yaşlı ve özürlü bireylerin takibini sağlayan sağlık sistemlerini, evin temizliğini otomatik yapabilen temizlik sistemlerini ve kişisel güvenlik sistemlerini örnek verebiliriz (Burkhard & Bouée, 2013).
Tüm bu özelliklerin yanında, son yıllarda akademik çalışmalarda geliştirilen akıllı evlerde kullanıcı davranışlarını takip ederek öğrenebilen ve zaman içerisinde otonom hareket edebilen, bu sayede evdeki konforu artırarak enerji tasarrufu da sağlayabilen sistemler ortaya çıkarılmıştır (Alam, Reaz, & Mohd Ali, 2012).
Akıllı Ev Sistemlerinin İşlevleri
Yıllar içerisinde gelişen teknoloji, yeni fikirlerin ve yeni ihtiyaçların ortaya çıkması ile hem akademik olarak hem de ticari olarak birbirinden farklı fonksiyonlara sahip, farklı özellikleri olan farklı kişilere yönelik akıllı evler geliştirilmiştir. Günümüzde akıllı ev sistemlerinin yapabildikleri aşağıdaki tabloda gösterilmiştir. Akıllı evlerin yapabildikleri eve yönelik ve kişilere yönelik olarak iki bölüme ayrılabilir. Eve yönelik olarak;
• Isıtma, aydınlatma, güç (elektrik) ve su sistemlerinin kontrol edilebilmesi ve takip edilebilmesi
• Dışarıdan eve müdahalelerin tespit edilmesi ve uyarı verilmesi, caydırmak için müdahale edilebilmesi
• Bahçede bitkilerin sulama ve havuzun su seviyesini kontrol edebilmesi
• Ev içerisinde yaşanan sorunları takip ederek tesisatçı vb. servis hizmetlerini doğrudan haberdar edebilmesi
• işlevlerini yerine getirebilmektedir. Kişilere yönelik olarak;
• Bebeklerin gece ve gündüz takip edilmesi, çocukların okul sonrası çalışmalarına destek olması
• Eksikleri takip ederek alışveriş yapabilmesi, pişirme işlemlerine ve temizliğe yardım etmesi
• Kişisel güvenliğe yardım etmesi ve sağlık durumunu takip ederek acil durumlarda acil servise ulaşması
• Kişisel hesaplarınıza erişerek, e-posta ve sosyal ağlara ulaşabilmenizi sağlayabilmesi
• Ev içerisinde TV ve ses sistemlerini kontrol edebilmenizi sağlaması işlevlerini yerine getirebilmektedir.
Günümüzdeki akıllı ev sistemleri incelendiğinde tüm bu işlevleri gerçekleştirebilmek için benzer bir yapıda geliştirildikleri görülmektedir. Genel olarak sistem uzaktan kontrol edilebilen bir merkez sunucu ve ev içerisinde işlemleri gerçekleştiren sunucuya bağlı uç bileşenlerden meydana gelmektedir. Ancak tüm bu işlevleri gerçekleştirirken farklı teknolojiler kullanmaktadır.
Bilgisayar ve İletişim Teknolojileri
Akıllı ev sistemlerinde bileşenlerin birbirileri ile iletişim kurabilmesi ve uzaktan erişilebilir olması için farklı yöntemler ve teknolojiler kullanılmaktadır. Geçmişten günümüze akıllı evlerin ev dışarısından da kontrol edilebilmesi için şu teknolojiler kullanılmıştır:
• GPRS
• SMS
• Internet (DSL, Fiber, …)
Genel olarak ticari ve akademik çalışmalar incelendiğinde sunucuya uzaktan erişim için internet bağlantısının kullanıldığı görülmektedir (GPRS, 3G, ADSL, …) (Gao, Zhou, Shao, Zhang, & Zhao, 2014). İnternet bağlantısının çökmesi durumunda ise alternatif olarak SMS ile sisteme müdahale edilebilen akıllı ev sistemleri de geliştirilmiştir (Thinagaran, Sulaiman, Yatim Sharif, Ramli, & Leong, 2013).
Akıllı evlerde internet kullanılmasının sebebinin ise dünyada internet kullanım oranının son yıllarda hızla artması gösterilebilir (Bkz: Tablo 1). Akıllı ev aygıtlarının birbirleri ile iletişimi için de tıpkı uzaktan erişimde olduğu gibi farklı iletişim teknolojileri zaman içerisinde farklı şekillerde kullanılmışlardır. Bunlar:
• Kablolu teknolojiler
• KNX, Ethernet, X10
• Kablosuz teknolojiler
• Wi-fi, bluetooth, low energy, ZigBee, Z-Wave, Ant
KNX ev ve bina otomasyonlarında kullanılan açık sistem bir standarttır. 2002 yılında Avrupa’da üç farklı protokol kullanan üreticilerin bunu standartlaştırma istemiyle ortaya çıkmıştır. Twisted pair, radyo frekansı, power line ve IP/ Ethernet gibi iletişim ortamlarını desteklemektedir (KNX, 2014). KNX, bir yazılım ile bir akıllı ev otomasyon sistemi tasarlanmasına, görselleştirilmesine ve çalıştırılmasına olanak verir.
Luca ve ark. evlerin Android tabanlı çalışan aygıtlardan kontrol edilebilmesi ile ilgili ev otomasyonu çalışmalarında, KNX teknolojisi kullanmışlardır (De Luca, ve diğerleri, 2013). Lee ve Hong KNX tabanlı bir akıllı ev sistemlerini ZigBee protokolü kullanarak kablosuz hale getirmiştir (Lee & Hong, 2009). Akademik çalışmalar yanında birçok firma KNX teknolojisiyle uyumlu akıllı bina sistemlerinde kullanılabilecek ürünler üretmektedirler (KNX, 2014).
Ethernet bilgisayar ağları (LAN) için kullanılan bir teknolojidir. Ethernet IEEE 802.3 olarak standartlaştırılmıştır. Özellikle bilgisayar kontrollü akıllı ev otomasyonlarında, yüksek bant genişliği gerektiren noktalarda kullanılmaktadır. 10 GBit bant genişliğini halihazırda desteklemektedir (IEEE Standarts, 2015).
X10 akıllı evlerde kullanılan en popüler teknolojilerden biridir (Das, Cook, Bhattacharya, Heierman III, & Lin, 2003). Bu teknolojinin en büyük avantajı binada yer alan mevcut elektrik altyapısını kullanmasıdır. Ancak veri iletişim hızı 20bit/s’dir. Bu yüzden ancak çok düşük bant genişliği gerektiren işlemler için kullanılabilmektedir. Ayrıca bazı gürültü filtreleme araçları elektrik hattı üzerinden gönderilen X10 komutlarını filtreleyebilmektedir.
Akıllı bina sistemlerinde bileşenlerin birbirleriyle kablosuz olarak iletişimi için mevcut duruma göre farklı teknolojiler kullanılmaktadır. Wi-fi yüksek bant genişliğine sahip ancak yüksek enerji tüketen, genellikle binalarda ve açık alanlarda bireylerin internete bağlanmak için kullandığı bir iletişim teknolojisidir. Wi-fi IEEE 802.11 protokolüne bağlı olarak standartlaştırılmıştır.
ElShafee ve Ahmed çalışmalarında tamamen wi-fi tabanlı bir akıllı ev geliştirirken (ElShafee & Hamed, 2012), farklı çalışmalarda wi-fi bağlantısı sadece belirli görevler için kullanılmıştır (örn. cep telefonu ile wi-fi üzerinden binanın kontrolünü sağlamak için) (Lian, Hsiao, & Sung, 2013). Bluetooth, Ericsson firması tarafından 1994 yılında mobil cihazları birbirine kablosuz olarak bağlamak için RS-232’ye alternatif olarak geliştirilmiştir.
Bu teknoloji, 2.4 GHZ ISM frekans bandında çalışmakta 54 Mbps’ye kadar veri aktarımı yapabilmektedir [30]. Ancak Bluetooth geliştiricileri en son sürümünde bant genişliğini artırmak yerine enerji verimliliğine yönelmiş ve bağlantı hızını düşürerek (0,3 Mbps) güç tüketimini olabildiğince aşağıya çekmiştir. Bu Bluetooth sürümünün ismi Bluetooth Low Energy (BLE) olarak adlandırılmıştır.
Sriskarthan ve ark. çalışmalarında bir evin ısıtma sisteminin kontrolünü Bluetooth teknolojisiyle gerçekleştirmişler ve bir evin tüm sistemlerinin kontrolünün nasıl gerçekleştirebileceğini teorik olarak ispatlamıştır (Sriskanthan, Tan, & Karande, 2002). Yine benzer bir çalışma da Piyare ve Tazil cep telefonu ile kontrol edilen bir akıllı ev geliştirmişler ve bluetooth teknolojisi kullanmışlardır.
Ev içerisinde yer alan ve sıcaklık, ışıklandırma vs. bileşenleri kontrol eden merkez bir kontrol aygıtı ile diğer birimler arasında kablolu iletişim sağlamışlar, merkez kontrol aygıtının dışarıdan (cep telefonu) kontrolünü ise kablosuz Bluetooth teknolojisiyle gerçekleştirmişlerdir (Piyare & Tazil, 2011).
ZigBee küçük boyutlarda veri alışverişini gerçekleştiren, iletim hızı yavaş, maliyeti düşük, uygulanabilirliği ve genişletilmesi kolay, az güç tüketen bir kablosuz haberleşme teknolojisidir. ZigBee 802.15.4 protokolüne bağlı olarak standartlaştırılmıştır.
Günümüzde akıllı bina otomasyon sistemlerinde kullanılan en popüler kablosuz iletişim teknolojisidir (ZigBee Alliance, 2015). Jadhav ve ark. ZigBee teknolojisi kullanılarak bilgisayar ile bir kontrol kartı arasında kablosuz iletişim kuran ve kontrol kartı ile ev içerisinde yer alan bileşenleri yöneten (röle, motor, alarm) bir akıllı ev prototip çalışma gerçekleştirmişlerdir (Jadhav, Chaudhari, & Vavale, 2014).
Li ve Ziang çalışmalarında bir önceki çalışmadan farklı olarak ev içerisinde yer alan merkez kontrolcü ile uç bileşenler (lamba kontrolcüsü vs.) arasındaki bağlantıyı kablosuz olarak ZigBee ile gerçekleştirmiştir (Gao & Zhao, 2010).
Z-Wave binalardaki elektrik/ elektronik cihazların birbirleri ve kullanıcılarla kablosuz ve kolayca haberleşmesine olanak sağlayan bir otomasyon standardıdır (ITU-T G.9959) (Z-Wave, 2015). Zigbee ve Z-Wave birbirine çok benzer özelliklere sahip olsa da Z-Wave kullanan tüm bileşenler aynı firma tarafından üretilen çipi kullandıkları için ZigBee’de karşılaşılan uyumluluk sorunları Z-Wave de yaşanmamaktadır (Z-Wave vs Zigbee, 2015).
Ant, ZigBee ve Bluetooth gibi 2.4 GHz ISM frekans bandında çalışmakta (birçok ülkede telsiz iletişimi için sertifika veya lisansa gerek olmadan belirli bir çıkış gücü sınırlamasına uyarak, üzerinden yayın yapılabilen banttır) olan bir sensör ağı teknolojisidir. Ticari akıllı ev sistemlerinde kullanılan teknolojilerden biridir (Ant Applying Technologies, 2015).
Kontrol Aygıtları
Akıllı ev sistemleri, kullanıcılar tarafından çok çeşitli aygıtlarla farklı şekillerde kontrol edilebilmektedir. İnternet üzerinden kontrol edilen sistemler, mobil aygıtlardan (cep telefonu, tablet…) ve bilgisayarlardan kontrol edilmektedir. Kontrol işlemi için mobil aygıtlara yönelik özel yazılımlar geliştirilmekte veya web tabanlı ara yüzler hazırlanmaktadır. Bunların yanında ev içerisinde kontrol için çeşitli dokunmatik ekranlar ve uzaktan kumandalar geliştirilmektedir.
Yapay Zeka ve Algoritmalar
Son yıllardaki akademik çalışmalar sonucunda akıllı evler sadece kullanıcı kontrolüne göre işlem yapan sistemler olmaktan çıkarak kullanıcı davranışlarını öğrenen ve bu davranışlara göre otonom hareket eden sistemler haline gelmiştir.
Yapay sinir ağları (neural network), bulanık mantık (fuzzy logic), destek vektör makineları (support vector machines) ve saklı markov model (hidden markov model) akademik çalışmalarda kullanılan yapay zeka algoritmalardır. Bu algoritmalar ile kullanıcının bir sonraki adımı tahmin edilebilmekte, ev içerisinde kullanıcı konumları takip edilmekte ve buna göre enerji tasarrufu sağlanabilmektedir (Alam, Reaz, & Mohd Ali, 2012).
Sonuç
Geçmişten günümüze akıllı ev sistemleri incelendiğinde büyük bir gelişim görülmektedir. Geçmişte sadece ev içerisindeki lambalar yakılıp söndürülebilirken, günümüzde aydınlatma, ısıtma, enerji, güvenlik, sistemleri kontrol edilebilmekte, ev işleri yapılırken çocukların takibi yapılabilmekte, sosyal ağlarla etkileşime girerek ses ve TV sistemleri kontrol edilebilmektedir. Yaşlı, hasta ve engellilere yönelik sağlık takibi yapmakta gerektiğinde acil servislerle iletişime geçebilmektedir.
Hüseyin GÜNEŞ ([email protected]), Rektörlük Bilgi İşlem Daire Başkanlığı
Davut AKDAŞ ([email protected]), Elektrik&Elektronik Mühendisliği Bölümü Balıkesir Üniversitesi
