Proposal for a Digital Twins concept in Smart Home

Abstract

The diploma thesis deals with the design and implementation of a Digital Twin concept for a smart home system based on KNX building automation. The main aim is to establish a reliable real-time connection between the physical installation and its virtual representation using LabVIEW, where communication is provided through a SpaceLynk controller via the Modbus/TCP protocol. The practical part of the work is divided into two stages. In the first stage, the Digital Twin is commissioned and verified on the EB312 KNX training panel, where basic functions such as lighting, blinds, and environmental monitoring are configured and tested. In the second stage, the solution is extended to the CPIT TL3 laboratory, where real-time monitoring of electrical current and energy consumption is performed. The developed system includes a floor-based graphical interface that allows clear visualization of rooms and devices and enables intuitive interaction with the system. Continuous acquisition and logging of measured data are implemented, representing typical data handling in intelligent building environments. In addition, a simple approach is used to estimate current behavior, and an anomaly detection method is applied to identify deviations from normal operation. The results are evaluated to confirm the correct functionality of the Digital Twin and to analyze system performance under real-time conditions, and the study also discusses how the proposed solution can support more efficient operation and reduction of energy costs in smart home systems.

Diplomová práce se zabývá návrhem a implementací konceptu digitálního dvojčete pro systém inteligentní domácnosti založený na automatizaci budov KNX. Hlavním cílem je navázat spolehlivé propojení v reálném čase mezi fyzickou instalací a její virtuální reprezentací pomocí LabVIEW, kde je komunikace zajištěna prostřednictvím kontroléru SpaceLynk protokolem Modbus/TCP. Praktická část práce je rozdělena do dvou fází. V první fázi je digitální dvojče uvedeno do provozu a ověřeno na výukovém panelu KNX EB312, kde jsou konfigurovány a testovány základní funkce, jako je osvětlení, žaluzie a monitorování prostředí. Ve druhé fázi je řešení rozšířeno do laboratoře CPIT TL3, kde je prováděno monitorování elektrického proudu a spotřeby energie v reálném čase. Vyvinutý systém obsahuje grafické rozhraní na úrovni podlaží, které umožňuje přehlednou vizualizaci místností a zařízení a umožňuje intuitivní interakci se systémem. Je implementován kontinuální sběr a záznam naměřených dat, které představují typické zpracování dat v prostředí inteligentních budov. Kromě toho je použit jednoduchý přístup k odhadu aktuálního chování a metoda detekce anomálií k identifikaci odchylek od normálního provozu. Výsledky jsou vyhodnoceny za účelem potvrzení správné funkčnosti digitálního dvojčete a analýzy výkonu systému v reálném čase. Studie také diskutuje, jak může navrhované řešení podpořit efektivnější provoz a snížení nákladů na energii v systémech chytré domácnosti.