摘 要:首先介紹樓宇能源管理系統(tǒng)，分析了環(huán)境監(jiān)測(cè)對(duì)樓宇節(jié)能的重要性，然后提出了樓宇環(huán)境無(wú)線傳感監(jiān)測(cè)方案，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，最后總結(jié)了工程應(yīng)用中如何選擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置。

關(guān)鍵詞:樓宇能源管理系統(tǒng); 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò); 樓宇; 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng); 節(jié)能

中圖分類號(hào):TN919 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)07-0053-03

Design of Building Environment Monitoring System Based on Wireless Sensor Technology

CUI Ran1， MA Xu-dong1， PENG Chang-hai2

(1. School of Automation， Southeast University， Nanjing 210096， China; 2. School of Architecture， Southeast University， Nanjing 210096， China)

Abstract: The building energy management system is introduced， and the importance of environment monitoring for energy saving is analysed. The wireless sensor moni-toring scheme building environment is put forward. The enviroment monitoring system based on wireless sensor network is designed and realized. The issues on how to select monitoring points in engineering application was solved by means of summarization.

Keywords: building energy management system; wireless sensor network; building; environment monitoring system; energy-saving

0 引 言

20世紀(jì)80年代的能源危機(jī)讓世界意識(shí)到節(jié)約能源的重要性，在樓宇電力節(jié)能方面出現(xiàn)了很多實(shí)際有效的技術(shù)和方法。新的空調(diào)控制理論、DDC控制器、最優(yōu)化的控制思想不斷應(yīng)用到樓宇能耗設(shè)備上。傳統(tǒng)的樓宇自控系統(tǒng)BAS從對(duì)設(shè)備的控制逐漸發(fā)展成為包含了對(duì)能源的管理和控制的樓宇能源管理系統(tǒng)BEMS。

樓宇中能耗設(shè)備眾多，其中空調(diào)和照明系統(tǒng)的能耗占樓宇總能耗的70%以上。由于樓宇特殊的構(gòu)造和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如何在樓宇中建立統(tǒng)一的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，診斷樓宇的節(jié)能水平，是樓宇能源管理系統(tǒng)中需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題。

國(guó)際能源組織IEA認(rèn)為BEMS是在提供愉快舒適的室內(nèi)環(huán)境和保證使用者安全的前提下實(shí)現(xiàn)建筑物的節(jié)能效果和人力的節(jié)約。因此，以室內(nèi)環(huán)境為監(jiān)測(cè)對(duì)象，通過(guò)對(duì)室內(nèi)溫度和光照強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)，能反映空調(diào)系統(tǒng)和照明系統(tǒng)消耗能源所產(chǎn)生的效果，從而可以在此基礎(chǔ)上優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能的目的。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)，需要在樓宇內(nèi)的不同區(qū)域布置大量傳感裝置。而在樓宇中采用傳統(tǒng)的有線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)將產(chǎn)生巨大的安裝成本且對(duì)樓宇本身存在一定程度的損傷(特別是對(duì)既有建筑而言)。如果采用無(wú)線傳感技術(shù)，則布線工作即可免去，工程的總成本將大幅降低。因此，通過(guò)無(wú)線傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)樓宇內(nèi)的環(huán)境信息的采集和傳輸是成功建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)

1.1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量小型或微型的各類集成化傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)作地實(shí)時(shí)感知、監(jiān)測(cè)各種環(huán)境對(duì)象信息，通過(guò)嵌入式系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行智能處理，并通過(guò)隨機(jī)自組織無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將所感知的信息傳送到用戶終端。

節(jié)點(diǎn)間無(wú)線通信協(xié)議采用基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee協(xié)議[1](見(jiàn)圖1)。Zigbee協(xié)議支持支持星形和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有低功耗、網(wǎng)絡(luò)容量大、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，非常適合用于樓宇環(huán)境監(jiān)測(cè)。IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)(Low-rate Wireless Personal Area Network)，把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點(diǎn)目標(biāo)，旨在為個(gè)人或者家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備之間的低速互連提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。采用免執(zhí)照2.4 GHz和868/915 MHz的ISM頻段，能夠方便自由地構(gòu)建無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)。

圖1 ZigBee協(xié)議結(jié)構(gòu)

1.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(Mesh Network)(見(jiàn)圖2)[2]。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)具有很廣的的傳送范圍，而且通過(guò)鏈路冗余的方式使得網(wǎng)絡(luò)的可靠性進(jìn)一步提高。只要是在通信距離范圍內(nèi)的任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以建立起一個(gè)通信鏈路。該鏈路建立后如果因干擾而中斷，節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)搜索其他相鄰的節(jié)點(diǎn)，重新建立一條新的鏈路。不僅如此，網(wǎng)絡(luò)中的任何兩個(gè)設(shè)備都可以相互通信，即使不在直接通信的范圍內(nèi)，也可以通過(guò)多個(gè)中間設(shè)備中繼的方式進(jìn)行傳輸，即多跳的傳輸方式。動(dòng)態(tài)路由和多跳傳輸增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的健壯性，除了中心節(jié)點(diǎn)，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的損壞對(duì)不會(huì)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生影響?；谶@些特性，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)非常適合在樓宇自動(dòng)化和樓宇監(jiān)控方面的應(yīng)用。

圖2 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2 樓宇環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件平臺(tái)

數(shù)據(jù)采集裝置采用美國(guó)克爾斯博科技公司(Crossbow)MTS系列多功能傳感器板(見(jiàn)圖3(a))和基于TI CC2420的MicaZ射頻處理器(見(jiàn)圖3(b))為平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸。與中心節(jié)點(diǎn)通信的網(wǎng)關(guān)采用Crossbow的MIB520(見(jiàn)圖3(c))作為網(wǎng)絡(luò)基站。MIB520網(wǎng)關(guān)通過(guò)USB接口實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)的在線編程和數(shù)據(jù)接收。

2.2 TinyOS微操作系統(tǒng)

TinyOS是UC Berkeley(加州大學(xué)伯克利分校)開發(fā)的開放源代碼操作系統(tǒng)，專為嵌入式無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，操作系統(tǒng)基于構(gòu)件(Component-based)的架構(gòu)使得快速的更新成為可能，而這又減小了受傳感網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)器限制的代碼長(zhǎng)度。TinyOS的構(gòu)件包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、分布式服務(wù)器、傳感器驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)識(shí)別工具。其良好的電源管理源于事件驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模型，該模型也允許時(shí)序安排具有靈活性。TinyOS已被應(yīng)用于多個(gè)平臺(tái)和感應(yīng)板中。

圖3 硬件平臺(tái)

TinyOS的程序采用的是模塊化設(shè)計(jì)，所以它的程序核心往往都很小(一般來(lái)說(shuō)核心代碼和數(shù)據(jù)大概在400 B左右)，能夠突破傳感器存儲(chǔ)資源少的限制，這能夠讓TinyOS很有效的運(yùn)行在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)上并去執(zhí)行相應(yīng)的管理工作等。TinyOS本身提供了一系列的組件，可以很簡(jiǎn)單方便的編制程序，用來(lái)獲取和處理傳感器的數(shù)據(jù)并通過(guò)無(wú)線電來(lái)傳輸信息。TinyOS在構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它會(huì)有一個(gè)基地控制臺(tái)，主要是用來(lái)控制各個(gè)傳感器子節(jié)點(diǎn)，并聚集和處理它們所采集到的信息。TinyOS只要在控制臺(tái)發(fā)出管理信息，然后由各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)互相傳遞，最后達(dá)到協(xié)同一致的目的。

利用TinyOS微操作系統(tǒng)構(gòu)建的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn):

(1) 基于組件的架構(gòu)(Componented-based Architecture)

TinyOS提供一系列可重用的組件，一個(gè)應(yīng)用程序可以通過(guò)連接配置文件(A Wiring Specification)將各種組件連接起來(lái)，以完成它所需要的功能。

(2) 事件驅(qū)動(dòng)(Event-Driven Architecture)

TinyOS的應(yīng)用程序都是基于事件驅(qū)動(dòng)模式的，采用事件觸發(fā)去喚醒傳感器工作。

(3) 任務(wù)和時(shí)間并發(fā)(Tasks and Events Concurrency Model)

Tasks一般用在對(duì)于時(shí)間要求不是很高的應(yīng)用中，且Tasks之間是平等的，即在執(zhí)行時(shí)是按順序先后來(lái)得，而不能互相占先執(zhí)行，一般為了減少Tasks的運(yùn)行時(shí)間，要求每一個(gè)Task都很短小，能夠使系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)較輕。

Events一般用在對(duì)于時(shí)間的要求很嚴(yán)格的應(yīng)用中，而且它可以占先優(yōu)于Tasks和其他Events執(zhí)行，它可以被一個(gè)操作的完成或是來(lái)自外部環(huán)境的事件觸發(fā)，在TinyOS中一般由硬件中斷處理來(lái)驅(qū)動(dòng)事件。

(4) 裂相操作Split-Phase Operations

在TinyOS中由于Tasks 之間不能互相占先執(zhí)行，所以TinyOS沒(méi)有提供任何阻塞操作，為了讓一個(gè)耗時(shí)較長(zhǎng)的操作盡快完成，一般來(lái)說(shuō)都是將對(duì)這個(gè)操作的需求和這個(gè)操作的完成分開來(lái)實(shí)現(xiàn)，以便獲得較高的執(zhí)行效率。

2.3 固件程序設(shè)計(jì)

無(wú)線節(jié)點(diǎn)采用了Crossbow的MicaZ收發(fā)處理器、MTS300溫度/光照集成傳感器以及MIB520網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)MESH網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。在節(jié)點(diǎn)端，利用XMesh提供的組件進(jìn)行程序開發(fā)，組件主要包括:Main，XMTS300M，QueueSend，TimerC，XmeshBinaryRouter，NoLeds，HPLPowerManagementM，Voltage，PhotoTemp，Sounder，GenericCommPromiscuous等。通過(guò)Main組件啟動(dòng)時(shí)鐘組件TimerC、通信組件GenericCommPromiscuous、路由組件XMeshBinaryRouter以及傳感器組件XMTS300M等，實(shí)現(xiàn)了多跳結(jié)構(gòu)的自組織網(wǎng)絡(luò)，并使用HPLPowerManagementM模塊對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行休眠控制以降低功耗。

在網(wǎng)關(guān)處，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的信息都最終發(fā)送到網(wǎng)關(guān)的匯聚節(jié)點(diǎn)sink0，通過(guò)節(jié)點(diǎn)匯聚節(jié)點(diǎn)sink0由MIB520網(wǎng)關(guān)發(fā)送到上位機(jī)。組件采用XServer中間件的相關(guān)組件，包括調(diào)度組件Main、網(wǎng)管監(jiān)測(cè)組件Xheartbeat、基站組件XmeshBaseM、路由組件XmeshBinaryRouter、LED組件NoLeds、下行命令組件XcommandC，組件間的結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖4所示。

圖4 網(wǎng)關(guān)組件連接圖

3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置選擇

由于樓宇構(gòu)造和結(jié)構(gòu)的特殊性，在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用中需要注意以下問(wèn)題。

3.1 節(jié)點(diǎn)位置

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)位置和數(shù)量的選擇是構(gòu)建無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)首先要考慮的問(wèn)題。由于樓宇中結(jié)構(gòu)復(fù)雜，合理地選取發(fā)射器、中繼器和接收器的位置是保證網(wǎng)絡(luò)健壯性的關(guān)鍵。從節(jié)點(diǎn)間相互通信的角度考慮，最佳位置要能使節(jié)點(diǎn)彼此間在可視直線距離范圍內(nèi)，保證節(jié)點(diǎn)間通信和連接的穩(wěn)定。

3.2 傳輸距離

在樓宇內(nèi)，信號(hào)的實(shí)際傳送距離與理想狀態(tài)有很大的差距，主要原因有三個(gè):

(1) 傳輸距離引起的信號(hào)衰減;

(2) 傳輸過(guò)程中障礙物引起的信號(hào)衰減;

(3) 其他設(shè)備的電磁干擾。

當(dāng)發(fā)送器和接收器之間具有一條暢通無(wú)阻的可視路徑時(shí)，在發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度一定的情況下，接收信號(hào)強(qiáng)度的衰減與傳輸距離的平方成反比關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中，由于障礙物的存在和信號(hào)發(fā)射的干擾，距離的冪指數(shù)通常大于2，約在2~4之間[3]。因此，在樓宇中布置傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，要根據(jù)環(huán)境正確評(píng)估傳輸距離，確保信息的有效傳輸。

3.3 信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)

信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)的目的是為了確認(rèn)節(jié)點(diǎn)位置的選取是否正確，各節(jié)點(diǎn)之間的通信是否穩(wěn)定可靠。通過(guò)信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)，合理改變各節(jié)點(diǎn)的位置或適當(dāng)添加中繼器來(lái)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的健壯性。目前，幾大知名的傳感器節(jié)點(diǎn)生產(chǎn)廠家如Crossbow等的節(jié)點(diǎn)都具有接收信號(hào)強(qiáng)度(RSSI)監(jiān)測(cè)功能，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中薄弱點(diǎn)，及時(shí)地予以調(diào)整。

3.4 電磁干擾

樓宇內(nèi)手機(jī)、微波爐等電磁設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生無(wú)線波，對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生干擾。無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)采用擴(kuò)頻技術(shù)(Spread Spectrum)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸，抗干擾能力得到增強(qiáng)，但在布置無(wú)線節(jié)點(diǎn)時(shí)，仍要注意與電磁設(shè)備保持一定的距離，同時(shí)也避免無(wú)線節(jié)點(diǎn)的電磁場(chǎng)對(duì)其他設(shè)備的干擾。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著《節(jié)約能源法》和《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》等相關(guān)法律法規(guī)的出臺(tái)，以及人們節(jié)能意識(shí)的不斷提高，如何保證室內(nèi)環(huán)境的舒適性，同時(shí)降低樓宇的能耗，將是樓宇節(jié)能研究的主要課題。無(wú)線傳感技術(shù)以其便利性和不斷降低的成本，在降低能源消耗、改善室內(nèi)環(huán)境、延長(zhǎng)能耗設(shè)備使用壽命、減少設(shè)備維護(hù)費(fèi)用等方面被廣泛應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能建筑、綠色建筑的目標(biāo)提供了重要的技術(shù)支持。

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