(重慶郵電大學(xué)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)化控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

0 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源消耗持續(xù)增加，能源問題越來(lái)越引起人們的關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)階段建筑總電耗占整個(gè)社會(huì)終端總電耗的27%～29%，建筑總能耗占整個(gè)社會(huì)終端能耗的20.7%。隨著國(guó)家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和城市的發(fā)展，建筑能耗將超越其他行業(yè)，最終位居社會(huì)能耗的首位，能源問題將成為制約中國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要因素[1]。因此，研究建筑樓宇的能耗管控系統(tǒng)是一個(gè)重要的課題。樓宇能耗的監(jiān)測(cè)和節(jié)能改造首先需要對(duì)樓宇環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，以了解樓宇內(nèi)的環(huán)境狀況和能源使用情況。對(duì)所有房間的溫度、濕度、電量等信息進(jìn)行采集和統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)建筑能耗的在線監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)[2]。目前，環(huán)境和能耗信息采集的手段主要有有線和無(wú)線兩種方式。在有線方式中，每個(gè)傳感器設(shè)備都必須通過有線連接才能進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，因而布線量大、成本高，同時(shí)也很難滿足結(jié)構(gòu)復(fù)雜的樓宇環(huán)境。隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，大規(guī)模、低功耗、多功能的傳感器設(shè)備通過協(xié)同感知、特有的無(wú)線通信協(xié)議來(lái)完成數(shù)據(jù)的采集和處理。因此，無(wú)需布線且功耗低、組網(wǎng)靈活[3]、基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能樓宇能量管控系統(tǒng)將會(huì)有很大的應(yīng)用市場(chǎng)。

1 系統(tǒng)整體框架的設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能樓宇能量管控系統(tǒng)的架構(gòu)主要由小區(qū)能耗數(shù)據(jù)的采集和小區(qū)服務(wù)器管理兩部分組成[4]：小區(qū)能耗數(shù)據(jù)的采集包括住戶單元的大功率電器能耗數(shù)據(jù)的采集，小區(qū)水、電、氣三表能耗數(shù)據(jù)的采集；小區(qū)服務(wù)器管理主要包括小區(qū)能耗數(shù)據(jù)庫(kù)管理和控制管理兩部分。

系統(tǒng)各部分功能如下。

① 家庭內(nèi)部的大功率電器能耗數(shù)據(jù)采集：住戶單元的能耗數(shù)據(jù)采集主要是針對(duì)家里的大功率電器，由家庭無(wú)線能耗采集設(shè)備進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)通過家庭網(wǎng)關(guān)上傳至小區(qū)服務(wù)器。

② 小區(qū)水、電、氣三表數(shù)據(jù)采集(中繼器和集采器)：中繼器和集采器主要負(fù)責(zé)小區(qū)水、電、氣三表數(shù)據(jù)的采集，并通過集采器將數(shù)據(jù)上傳至小區(qū)服務(wù)器。

③ 小區(qū)服務(wù)器管理(服務(wù)器Web顯示前端和數(shù)據(jù)庫(kù)后端)[5]：小區(qū)服務(wù)器管理主要分為一個(gè)控制管理服務(wù)器前臺(tái)和兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)管理后臺(tái)。其中一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)管理后臺(tái)主要負(fù)責(zé)管理存儲(chǔ)小區(qū)每棟樓中水、電、氣三表的能耗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫(kù)管理后臺(tái)主要由電力公司、自來(lái)水公司、燃?xì)夤镜炔块T進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)的查看與管理，小區(qū)單元不能進(jìn)行訪問；另外一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)管理后臺(tái)主要供小區(qū)對(duì)住戶單元能耗數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理，同時(shí)家庭中各種環(huán)境傳感器的環(huán)境參數(shù)值也將由家庭網(wǎng)關(guān)上傳至這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理?？刂乒芾矸?wù)器前臺(tái)主要是通過控制管理界面對(duì)水、電、氣三表和家中各種電器設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)管理和控制。

智能樓宇能量管控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓樸圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

2 系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)

2.1 節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了加強(qiáng)控制系統(tǒng)的性能，本方案采用后臺(tái)處理的方式對(duì)樓宇中用戶單元進(jìn)行控制，需要采用處理功能強(qiáng)大的服務(wù)器來(lái)對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、解析、存儲(chǔ)和訪問，并分析節(jié)能控制系統(tǒng)的功能[6]。服務(wù)器結(jié)構(gòu)如圖2所示。服務(wù)器將能耗采集設(shè)備采集的數(shù)據(jù)以家庭為單位，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、分類處理[7]。環(huán)境參數(shù)和能耗參數(shù)作為節(jié)能控制參數(shù)執(zhí)行控制算法，由算法確定對(duì)終端耗能設(shè)備的控制策略；對(duì)于安防信息，按照其安全等級(jí)執(zhí)行不同的控制策略。

圖2 服務(wù)器節(jié)能系統(tǒng)框架圖

2.2 能耗管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本方案管理系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和樓宇能耗預(yù)測(cè)兩部分，用戶可以通過Web訪問數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器[5]來(lái)查詢歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前數(shù)據(jù)。該方案采用預(yù)測(cè)算法預(yù)測(cè)樓宇的用電量，為配電提供數(shù)據(jù)支持。

為了滿足大量數(shù)據(jù)的處理功能，本設(shè)計(jì)方案采用數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器做后臺(tái)處理，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。本服務(wù)器將家庭水、電、氣的總能耗和分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，管理系統(tǒng)通過算法對(duì)歷史耗能數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)，對(duì)樓宇能耗進(jìn)行定量的預(yù)測(cè)。通過Web訪問服務(wù)器，查詢所需的數(shù)據(jù)；通過分類分項(xiàng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，并采用相應(yīng)的算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出樓宇能耗的預(yù)測(cè)值。

圖3 管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 智能樓宇三表采集設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

智能樓宇三表采集設(shè)計(jì)主要基于樓層中繼器完成數(shù)據(jù)的采集，樓層中繼器的主控芯片使用STMicroelectronics公司的STM32F103RC芯片。該芯片是一款32位基于ARM核心的帶64 kB閃存的微控制器，具有兩個(gè)USART、兩個(gè)16位定時(shí)器、一個(gè)SPI接口、一個(gè)I2C接口和一個(gè)USB接口。該芯片支持三種低功耗模式，可以在要求低功耗、短啟動(dòng)時(shí)間和多種喚醒時(shí)間之間達(dá)到最佳的平衡。無(wú)線射頻模塊為433 MHz無(wú)線射頻模塊，該無(wú)線模塊廣泛應(yīng)用于車輛監(jiān)控、無(wú)線抄表、門禁系統(tǒng)、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無(wú)線標(biāo)簽、身份識(shí)別、非接觸RF智能卡、無(wú)線232數(shù)據(jù)通信、無(wú)線485/422數(shù)據(jù)通信、數(shù)字音頻、數(shù)字圖像傳輸?shù)阮I(lǐng)域[8]。中繼器通過RS- 485總線與三表連接，進(jìn)行三表數(shù)據(jù)的采集，然后通過433 MHz無(wú)線模塊將采集的三表數(shù)據(jù)上傳給樓宇集采器。中繼器硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 中繼器硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.2 軟件設(shè)計(jì)

三表采集技術(shù)支持RS- 485總線和無(wú)線采集兩種方式，并且能夠?qū)λ?、電、氣三表?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的采集，便于實(shí)現(xiàn)能耗的統(tǒng)一管理。數(shù)據(jù)采集和處理程序是三表集抄最重要的功能之一，主要是完成抄表任務(wù)及數(shù)據(jù)的處理。要實(shí)現(xiàn)三表數(shù)據(jù)的集中采集，首先要弄清楚水、電、氣三表采集的標(biāo)準(zhǔn)。

智能三表集采技術(shù)與電表的通信協(xié)議采用行業(yè)最新標(biāo)準(zhǔn)DL/T 645-2007《多功能電表通信規(guī)約》，但水表、氣表集抄數(shù)據(jù)通信采用的是參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJ/T 188-2004《戶用計(jì)量?jī)x表數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)條件》，電表和水、氣表采用不同的通信標(biāo)準(zhǔn)。要實(shí)現(xiàn)不同通信協(xié)議的數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集，首先要分析以上兩種協(xié)議規(guī)范的不同。智能三表集采器向智能三表發(fā)出的幀格式如表1、表2所示。

表1 智能電表通信幀格式表

表2 智能水表通信幀格式表

中繼器與三表之間都是采用主從半雙工式通行協(xié)議，集采器為主站，中繼器為轉(zhuǎn)發(fā)站，電表為從站。每塊表都有自己的地址編碼，當(dāng)通過RS- 485總線和無(wú)線方式建立通行鏈路后，由主站來(lái)發(fā)送控制信息幀。

智能三表集采器發(fā)出控制碼C標(biāo)志命令，當(dāng)C= 11H，表示抄電表命令；當(dāng)C= 33H，表示斷電處理。數(shù)據(jù)長(zhǎng)度L表示符表示數(shù)據(jù)域Data的長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)域Data表示數(shù)據(jù)域，包括數(shù)據(jù)標(biāo)志、密碼、數(shù)據(jù)、幀序號(hào)等，其結(jié)構(gòu)隨控制碼的功能而改變。檢驗(yàn)碼CS表示從第一個(gè)幀起始符開始到校驗(yàn)碼之前的所有各字節(jié)的模 256 的和，即各字節(jié)二進(jìn)制算術(shù)和，超過 256 的溢出值不計(jì)。智能電表的通信幀格式與智能水、氣表的通信幀格式有明顯不同。

中繼器要實(shí)現(xiàn)的功能是建立可靠的通信通道，處理和交換集采器與表單元間的數(shù)據(jù)信息，集中采集一層樓的三表數(shù)據(jù)。中繼器接收到采集器的采集指令，完成對(duì)下面掛載的所有表的能耗數(shù)據(jù)采集后，將數(shù)據(jù)發(fā)送到集采器，同時(shí)存儲(chǔ)能耗數(shù)據(jù)和三表地址。

4 智能照明控制設(shè)備

樓宇照明設(shè)備的電能消耗約占整個(gè)樓宇能耗的50%，特別是一些公共場(chǎng)所，電能浪費(fèi)現(xiàn)象十分嚴(yán)重。為了更好地節(jié)約電能，開發(fā)一種智能化的照明控制設(shè)備是必要的[8]。

4.1 結(jié)構(gòu)和原理

智能照明控制設(shè)備的結(jié)構(gòu)主要包括電源轉(zhuǎn)換電路、光照檢測(cè)電路、熱釋電紅外傳感器及處理電路[9]、單片機(jī)系統(tǒng)、CC2430無(wú)線通信模塊和繼電器控制電路，智能照明控制設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖5所示。工作時(shí)，光照檢測(cè)電路和熱釋電紅外傳感器將采集到的光照強(qiáng)度、室內(nèi)是否有人等信息送到單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)這些信息通過控制電路對(duì)照明設(shè)備進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)和開關(guān)操作，同時(shí)將照明設(shè)備的狀態(tài)信息通過信息反饋電路和CC2430反饋到控制終端，從而實(shí)現(xiàn)照明設(shè)備的智能控制，達(dá)到節(jié)能的目的。

圖5 智能照明控制設(shè)備原理框圖

4.2 硬件電路設(shè)計(jì)

熱釋電紅外傳感器是一種能檢測(cè)人或動(dòng)物發(fā)射的紅外線而輸出電信號(hào)的傳感器。熱釋電效應(yīng)是由溫度的變化而引起晶體表面荷電的現(xiàn)象，同壓電效應(yīng)類似。試驗(yàn)證明，傳感器不加光學(xué)透鏡(也稱菲涅爾透鏡)，其檢測(cè)距離小于2 m；而加上光學(xué)透鏡后，其檢測(cè)距離可大于7 m。由于熱釋電紅外傳感器輸出的信號(hào)變化緩慢、幅值小(小于1 mV)，不能直接作為照明系統(tǒng)的控制信號(hào)，因此傳感器的輸出信號(hào)必須經(jīng)過一個(gè)專門的信號(hào)處理電路，使得傳感器的輸出信號(hào)的不規(guī)則波形變成適合于單片機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)。熱釋電信號(hào)檢測(cè)電路組成框圖如圖6所示。

圖6 檢測(cè)電路組成框圖

本設(shè)計(jì)采用BIS0001來(lái)完成對(duì)熱釋電紅外傳感器輸出信號(hào)的處理。BIS0001是一款具有較高性能的熱釋電傳感器信號(hào)處理集成電路，它主要由運(yùn)算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延時(shí)時(shí)間定時(shí)器以及封鎖時(shí)間定時(shí)器等構(gòu)成。熱釋電紅外信號(hào)處理電路如圖7所示。

圖7 熱釋電紅外信號(hào)處理電路

圖7中，熱釋電紅外傳感器S極輸出信號(hào)送入BIS0001的14腳，經(jīng)內(nèi)部第一級(jí)運(yùn)算放大器放大后，由BIS0001的16腳輸出，經(jīng)C4耦合，從12腳輸入到內(nèi)部第二級(jí)運(yùn)算放大器放大；再經(jīng)電壓比較器構(gòu)成的鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號(hào)去啟動(dòng)延遲時(shí)間比較器；最后從2腳輸出信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行照明控制。

4.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要是完成對(duì)光照檢測(cè)電路和熱釋電紅外傳感器信號(hào)處理電路的輸出信號(hào)進(jìn)行處理。當(dāng)光照較強(qiáng)時(shí)，系統(tǒng)對(duì)光照檢測(cè)電路的輸出狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)；當(dāng)光照較弱時(shí)，系統(tǒng)對(duì)熱釋電紅外傳感器信號(hào)處理電路的輸出信號(hào)VO進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)室內(nèi)有人時(shí)，VO輸出高電平，系統(tǒng)控制照明設(shè)備點(diǎn)亮并按設(shè)置的時(shí)間進(jìn)行延時(shí)[10]。當(dāng)在延時(shí)時(shí)間內(nèi)再一次檢測(cè)到有人存在時(shí)，則系統(tǒng)按照設(shè)置的時(shí)間進(jìn)行延時(shí)；當(dāng)在延時(shí)時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到?jīng)]人時(shí)，則系統(tǒng)控制照明設(shè)備熄滅并重新對(duì)信號(hào)處理電路的輸出信號(hào)VO進(jìn)行檢測(cè)。由于控制設(shè)備還可以通過無(wú)線模塊遠(yuǎn)程控制幾路不同功率的照明設(shè)備，所以管理人員可以選擇開啟相應(yīng)功率的照明設(shè)備[8-11]，最后將照明設(shè)備的狀態(tài)信息反饋至控制中心。根據(jù)上述要求設(shè)計(jì)的軟件流程圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)軟件流程圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)以樓宇能耗的監(jiān)控和管理為背景，結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，在總結(jié)和研究了國(guó)內(nèi)外基于物聯(lián)網(wǎng)的樓宇能耗監(jiān)控和管理平臺(tái)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和開發(fā)了基于無(wú)線傳感器的樓宇能耗監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)。該平臺(tái)通過對(duì)能耗設(shè)備的嚴(yán)格監(jiān)測(cè)和管理，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代城市居民區(qū)的能耗管理和人性化自動(dòng)化的能耗監(jiān)測(cè)功能。

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